用于单原子触发式单光子源的短脉冲激发光系统研究

摘要

随着量子信息的快速发展，光子作为量子系统的代表，几乎参与所有的量子信息处理过程，近年来被广泛关注。作为量子信息的载体，光子可以用于量子计算，远程量子网络的飞行量子比特，混合量子系统的媒介等。近几年单光子源以其不可克隆的原理被认为是量子信息的关键部分被人们广泛研究。目前产生单光子源有多种方案，包括单原子，单离子，单分子，单个NV色心，量子点，自发参量下转换，和基于原子系综的四波混频过程等。此外，采用辐射源与光学腔耦合方式可以增加单光子的产出效率。
　　基于中性原子的单光子源具有辐射光子的谱宽窄，易于存储介质的原子直接耦合等特点，对构建量子网络有一定的潜在价值。为了获得基于单原子的触发式单光子源，首先在磁光阱（MOT）中冷却并俘获单个原子，并将其转移到保守势的微型偶极阱中，进行特定的量子态制备，然后采用自制的纳秒脉冲激光系统对近似二能级系统的中性原子周期性激发，短时间被激发至上能态的原子由于自发辐射可以向4π立体角内辐射荧光，采用高数值孔径的复合透镜组可以有效收集光子并用准直透镜将荧光聚焦耦合至光纤进行符合计数探测或后续量子信息处理过程。
　　本文工作主要包括以下几部分：
　　1.介绍单光子源的意义和研究进展，概述光和原子耦合的基本理论，表征脉冲光和原子相互作用过程激发光源需要满足的条件，包括足够高的峰值光强，频率共振，脉冲宽度小于上能态寿命等。
　　2.针对z切割的电光强度调制器（EOIM）的不稳定性工作，实验上通过精密控温技术抑制了脉冲光OFF态光功率起伏，控温之后，功率起伏由6.35μW/h下降至0.42μW/h，通过匹配输入光偏振和寻找最佳控温工作点还可以大幅度提高脉冲光的ON/OFF比，相比于典型的出厂值20dB，静态ON/OFF比最高可达41dB，这对于提高单光子源的品质有至关重要的作用，高ON/OFF比脉冲光可以避免OFF态对于原子的多次激发。
　　3.采用光学注入锁定的方式增加脉冲光的功率，峰值功率最大可达50mW，注入功率阈值为百微瓦量级，脉冲光OFF态注入时被动激光器自由运转频率与原子跃迁线蓝失谐32.6GHz。由注入锁定的动力学过程和实验参数推知最少19ps即可建立锁定状态。
　　4.采用高ON/OFF比脉冲光注入半导体激光器实现的高功率激发光源对单个中性原子周期激发实现了触发式单光子源，其双光子概率小于4.2％。实际可测到的单光子平均为每秒636个。
　　实现的触发式单光子源对于验证光子全同性，真随机数产生有重要的应用前景，确定性单光子可以经过信息编码之后存储于冷原子可演示量子中继等物理前沿问题。

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第一章 绪论

1.1 单光子背景介绍

1.2 单光子源的要求

1.3二能级原子与光的相互作用

1.3.1 电偶极跃迁

1.3.2电偶极辐射

1.3.3 光子符合计数

1.4 小结

第二章 高ON/OFF比纳秒脉冲光的实现

2.1 电光强度调制器的缺陷与目前的解决方案

2.2 MZ干涉型电光调制理论分析

2.3 实验装置

2.4 实验结果与分析

2.4.1 MZ-EOIM的温度特性

2.4.2高ON/OFF比的实现

2.4.3 功率稳定性

2.4.4 傅里叶谱展宽

2.5 小结

第三章 注入锁定实现脉冲光激光放大

3.1注入锁定方法介绍

3.2 注入锁定实现脉冲光输出

3.2.1注入锁定之后的频率跟随

3.2.2控温etalon的温度调谐特性

3.2.3脉冲注入锁定

3.2.4大频差注入锁定

3.3 注入锁定的动态分析

3.3.1 注入锁定的阈值和光学双稳现象

3.3.2注入锁定的动力学过程

3.4 小结

第四章 基于单个中性原子操控的单光子源

4.1 单原子的获得

4.2 实验时序

4.3单光子源实验结果

4.3.1 连续光的单光子源

4.3.2 脉冲光激发单原子实现单光子源

4.4 小结

第五章 总结与展望

附录 A

附录 B

参考文献

硕士研究生期间完成的学术论文和会议报告

致谢

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