拉曼增益介质中关联光子的产生及量子噪声特性

摘要

受激拉曼现象是光与物质相互作用过程中所表现出来的一种非线性效应。利用该非线性效应产生关联的光子是近年来量子光学和量子信息科学交叉领域的前沿研究课题之一。本文以量子力学及受激拉曼过程的实验和理论研究为基础,建立了双∧-型四能级原子系统和∧-型三能级原子系统与光场耦合的量子光学模型。通过求解相应的Langevin-Heisenberg运动方程,研究了用受激拉曼增益系统产生关联的(2+1)光子源,以及受激拉曼增益系统的量子噪声特性,得到了一些有价值的理论研究成果。 第一章简述了拉曼增益系统、非经典的双光子光源、量子噪声三个方面的知识,介绍了受激拉曼系统的基础知识和性质,目前实验和理论上实现非经典的双光子光源的方案及研究进展,量子噪声的起源、分类、处理方法以及性质。 第二章我们提出了一个在双∧-型的四能级原子介质中利用受激拉曼和四波混频过程产生(2+1)光子源的方案(所谓的(2+1)光子源,就是其中的光子“1”一旦用作为触发开关,将会产生一个关联或纠缠的光子对(也就是“2”))。在该方案中,一旦一个单光子被注入到四能级原子系综,通过低增益的受激拉曼过程立即产生一个与注入的光子同方向的光子(这样会得到两个光子,其中一个光子就是“1”用作触发开关),同时另一个通道利用四波混频过程产生“2”中的另一个光子,这样我们就可以得到关联的(2+1)光子对。这种关联的(2+1)光子对比利用参量下转换和基于EIT过程产生的光子对有一定的优点,比如产生光子对的方向性比较好,同时我们可以用量子探测场中的一个光子做联合计数,剩下的光子对可以用于其他的实验。 本论文的另一重要内容是量子化光场的噪声特性。 第三章主要研究的是∧-型三能级受激拉曼系统中,原子系综与相干控制场以及量子探测场相互作用时,受激拉曼系统中的响应函数、响应时间以及受激散射的量子化光场噪声特性。我们数值计算了引入具有压缩特性的量子光场,散射后量子光场的噪声特性。发现随着Rabi振荡频率的降低噪声也随着降低,在一定的情形下真空涨落导致的噪声可以通过调节参数压制的很低。我们在第二章中的研究并没有像第三章一样考虑噪声,故在第四章中我们主要是在第二章和第三章的基础上考虑四能级拉曼原子系统中的噪声问题,给出了量子噪声对量子光场压缩特性的影响,是我们对第二章研究的内容进一步完善。 本论文研究对象属于量子光学、原子光学和量子信息领域的交叉研究内容,研究的结果对拉曼增益系统的理论在量子信息科学中的应用研究具有重要的指导意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1受激拉曼系统

1.2非经典双光子光源

1.3量子噪声

1.4本论文的出发点及主要内容

参考文献

第二章拉曼增益系统中关联的(2+1)光子制备

2.1引言

2.2理论模型和解析解

2.2.1.理论模型

2.2.2.群速度和传播参数的分析

2.3配对的光子对的产生

2.3.1(2+1)光子对的产生及分析

2.3.2双光子关联函数

2.3.3单光子复合相干态的产生

2.4讨论

2.5小结

参考文献

第三章受激拉曼增益介质中的量子噪声特性研究

3.1引言

3.2理论模型

3.3拉曼增益系统的响应函数及数值结果与分析

3.4噪声对受激拉曼散射光场的影响

3.5量子探测光场的噪声谱

3.6结 论

附录A

参考文献

第四章 拉曼增益系统用于产生关联的(2+1)光子的噪声特性

4.1引言

4.2理论模型

4.3探测光场在零频输出的噪声谱

4.4结论

参考文献

第五章结论与展望

硕士研究生期间发表的学术论文

致谢