量子存储的理论与实验研究

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量子存储在量子信息处理中起着非常重要的作用,如长距离量子通信的关键器件量子中继器。而在量子存储的过程中,要求我们可以高保真度以及高效率地按照需求将光的量子态通过光控制来进行写入以及读取出来。在过去的几十年中,有非常多的研究致力于在光和原子相互作用的基础上研究光存储实验,实验实现了很多光存储的方法,例如借助于电磁诱导透明过程、远共振拉曼过程、以及光子回波等。  过去很多研究表明由EIT所实现的光存储和不同的量子态之间有着很好的兼容性,例如单光子态、压缩态等。本文的主要工作是基于电磁诱导透明方法的光存储理论和实验研究。文章分为四章:  在第一章中,我们从原子与光场的相互作用原理出发,借助于半经典理论.首先研究了较为简单的二能级系统与单模电磁场,接着会在二能级的基础上进一步研究三能级系统,也就是我们实际实验所用到的系统。并且,我们会从理论公式以及物理图像中分别去理解某些具体的物理现象,例如电磁诱导透明效应等。在第二章中,我们主要阐述了实验系统的架设。首先详细介绍了磁光阱的基本原理,并从传统的三维磁光阱过渡到我们实际使用的二维磁光阱。此外,在本章中会讨论到所有的实验设计,包括真空系统的装配,铷原子能级的选取,激光的工作频率,磁场线圈以及磁屏蔽线圈的设计等。  在第三章中,我们将从光学布洛赫-麦克斯韦方程出发,理论上分别对正向和反向提取的光存储进行数值模拟。整个模拟分为两部分:分别是正向提取的效率和反向提取的效率,主要均为围绕着:效率随着光学深度(OD)的变化,效率随着耦合光功率的变化,效率随着基态间的退相干速率的变化,效率随着存储时间的变化。最后我们可以得到结论是在OD较大的情况下,反向提取的存储效率会比正向提取的效率更高。  在第四章中,主要进一步详细说明光学深度的测量以及光存储实验,例如时序的控制、MOT的性质等。最后给出相应的实验结果,分析实验达不到理想目标的原因并给出下一步实验的计划。
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