基于冷原子系綜的量子存儲及操控.pdf

1、隨著量子信息學(xué)的蓬勃發(fā)展，量子網(wǎng)絡(luò)受到全世界各行業(yè)的青睞。其中，量子網(wǎng)絡(luò)中的量子節(jié)點(diǎn)需要對量子信息進(jìn)行存儲和操控。冷原子系綜可以實(shí)現(xiàn)量子信號的長壽命高效率存儲，已經(jīng)成為有潛力的量子節(jié)點(diǎn)。但是存儲系統(tǒng)與外界環(huán)境無法完全隔離，消相干的存在使得量子信息在存儲和操控過程中存在較大的損耗。為此需要設(shè)計(jì)方案提高量子存儲的存儲效率、存儲壽命和存儲保真度等性能指標(biāo)。本文進(jìn)行了基于冷原子系綜的量子存儲和操控的實(shí)驗(yàn)研究。主要內(nèi)容包括以下幾個方面:
　

2、　(1)利用動力學(xué)退耦合的量子操控技術(shù)延長量子比特在冷原子系綜中的存儲壽命:實(shí)驗(yàn)通過Raman過程操控原子在兩基態(tài)間的相干轉(zhuǎn)移。利用多個Ramanπ脈沖組成的Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)序列壓制自旋波間的退相干，使原本在存儲時間t=180μs時已經(jīng)低于80％的過程保真度，在存儲時間t=800μs時保真度仍然優(yōu)于80％。該方案的優(yōu)勢在于可以大大提高長距離量子網(wǎng)絡(luò)中隱形傳態(tài)的成功機(jī)率，而且在未來的量子信息過

3、程中會有更多更有效的應(yīng)用前景。
　　(2)在冷原子系綜中，研究了存儲效率與等待間隔（磁光阱關(guān)斷和存儲事件發(fā)生的間隔）之間的關(guān)系，探索了存儲效率與實(shí)驗(yàn)重復(fù)頻率（單位時間內(nèi)進(jìn)行存儲釋放研究的次數(shù)）之間的關(guān)系。結(jié)果表明，當(dāng)磁光阱等待時間在0.015ms到3.5ms時，0.2μs處恢復(fù)效率可以超過15％。當(dāng)?shù)却龝r間小于0.015ms時，磁場起伏將極大地影響存儲。當(dāng)時間大于3.5ms時，原子團(tuán)狀態(tài)將減小存儲效率。測量結(jié)果為之后改進(jìn)冷原子系統(tǒng)

4、、在冷原子系統(tǒng)中產(chǎn)生和存儲偏振糾纏提供重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
　　(3)任意偏振量子比特的長壽命存儲和量子路由:通過引入一個13.5G的軸向磁場，去除了能級結(jié)構(gòu)中的磁敏感態(tài)自旋波，使任意偏振量子比特只能映射到兩個相互正交的磁不敏感態(tài)自旋波中。利用相位匹配條件和電磁感應(yīng)透明動力學(xué)過程操控讀光傳播方向，實(shí)現(xiàn)了基于冷原子系綜的量子路由，可選擇地將任意偏振釋放光信號高保真度地傳輸?shù)狡邆€不同的量子通道中。另外通過改進(jìn)量子通道的濾波系統(tǒng)，提高了釋放

5、光信號的信噪比。實(shí)驗(yàn)最終實(shí)現(xiàn)了長存儲壽命高保真度任意偏振量子比特在量子節(jié)點(diǎn)中的路由;而且當(dāng)存儲時間達(dá)到6ms時，信號光偏振態(tài)的保真度依然超過78.4％。這項(xiàng)工作可應(yīng)用于搭建大型量子網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行遠(yuǎn)距離量子通信及分布式量子計(jì)算等。
　　(4)研究了任意偏振光在環(huán)形腔中的偏振保持:高保真度是量子存儲的重要指標(biāo)之一，而環(huán)形腔中進(jìn)行量子存儲很難保證信號的保真度。實(shí)驗(yàn)中通過設(shè)計(jì)了一種特殊的腔型和利用兩個特定角度的二分之一玻片，補(bǔ)償了腔內(nèi)反射鏡對