基于耦合光腔内非线性过程的量子操控研究

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压缩态自1985年R.E.Slusher团队在实验上首次实现以来,目前已成为许多领域中极为重要的量子资源。压缩态光场在引力波探测、量子精密测量、量子通信、量子编码等众多领域具有重要的研究价值和应用前景。近十几年来,耦合谐振腔中的类电磁诱导透明(Electromagnetically Induced Transparency,EIT)现象已成为一个研究热点,类EIT效应可以广泛应用于量子信息处理以及光脉冲的减速、存储和释放等领域。在此背景下,本论文首先针对三光学腔耦合系统的耦合强度对真空光场的光学特性以及真空压缩光场中的量子特性的影响进行研究;进而提出并研究了耦合光学参量放大器(Optical Parametric Amplifier,OPA)内非线性过程的量子操控。该耦合OPA腔的突出优势在于可以对多失谐处的噪声起伏进行操控,有效地提高信息传输的容量和种类;同时也可以用来产生类EIT效应。该结构使得量子芯片系统的集成度更高,为量子技术在实际应用中奠定了基础。本文的主要研究内容包括以下几点:1.提出了一种三光学腔耦合系统模型,计算腔耦合系统中反射场的经典特性;根据系统的Hamiltonian量得到三光学腔耦合系统的量子朗之万运动方程,计算出三光学腔耦合系统的量子特性。计算结果表明,在经典场中,腔内出现的类EIT效应随着耦合强度的增强更加显著;在量子场中,三光学腔耦合系统的量子噪声起伏随着耦合强度的增强,由单个带劈裂的洛伦兹状逐渐呈现出三个独立带劈裂的洛伦兹状,因此实现了多失谐处的量子操控。2.提出了一种耦合OPA系统模型,根据耦合OPA系统的Hamiltonian量得到三共振条件下(泵浦光、信号光和闲置光在腔内发生共振)腔内信号光和泵浦光的量子朗之万运动方程,通过计算得到腔内信号光的正交幅值和位相分量上的噪声起伏;分析不同耦合条件下三共振耦合OPA系统内非线性过程的量子操控。计算结果表明,系统可以产生14d B左右的压缩态以及类EIT现象,并对多失谐处的噪声起伏进行量子调控。3.研究了耦合OPA腔在双共振条件下(信号光和闲置光在腔内发生共振)注入非线性过程的量子操控。利用量子朗之万运动方程计算双共振耦合OPA腔在正交幅值和位相分量上的噪声起伏。计算结果表明,在双共振条件下产生的压缩态最高可达到14d B左右,同时可以产生类EIT现象,实现对多失谐处的噪声起伏进行量子调控。
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