CN110908130A - 一种全光、宽频、低噪声偏振旋转门的实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种全光、宽频、低噪声偏振旋转门的实现方法。利用一种相干制备的原子系统与一束强泵浦光和一束线偏振弱信号光相互作用，可使得该原子系统变成电磁诱导透明(EIT)系统和主动拉曼增益(ARG)系统的组合系统。利用两波混频效应，EIT系统产生的吸收与ARG系统产生的增益互相抵消，使得该相干制备原子系统具有很多优良性能。例如，信号光可在很宽的频域内实现损失/增益接近于零，原子系统中的噪声被显著抑制等。在此基础上再加入相位控制光，利用交叉克尔效应，可使得线偏振弱信号光经过原子系统后偏振方向旋转90°，从而实现偏振旋转门。

Description

一种全光、宽频、低噪声偏振旋转门的实现方法
技术领域
本发明涉及一种偏振旋转门的实现，尤其涉及在相干制备的原子系统中实现一种全光的，宽频的，低噪声的偏振旋转门。
背景技术
众所周知，量子计算和量子信息已经成为了量子物理学科中最热门的研究领域，其中弱光的操控技术对于量子信息的发展极其重要，因此许多研究工作尝试在各种不同系统中实现对单光子的全光操控，比如量子电动力学(QED)系统，相干制备的原子系统，超导量子比特，光力学系统等等。
在近十年来，相干制备的原子系统作为研究各种量子光学和非线性光学的平台受到了大家的广泛关注。基于量子干涉效应，EIT不仅可以有效抑制介质对探测光的吸收，而且具有弱光高非线性，因此EIT对于量子通讯和量子计算来说是一种很有前途的光操控技术。利用该技术，很多相关的研究工作相继发表，比如在冷原子系统中实现一种快的全光偏振门，在光学谐振腔中基于EIT效应实现量子相位门，基于里德伯相互作用实现量子门操作等等。需要指出的是，以上提到的研究方案均需要探测光具有很强的非线性，然而EIT的工作范围是在透明窗口处，其非线性和吸收一样非常小。众所周知，光学操控的实现需要系统具有足够大的非线性，而此时EIT系统的吸收也将不可避免。
为了克服EIT的缺陷，另外一种叫做主动拉曼增益(ARG)的技术被提出。ARG导致了很多新现象产生，例如增益-辅助无损传播，群速度超光速，克尔非线性的增强等。利用ARG技术，可在室温下的原子气中实现一种全光、连续可控的克尔非线性相位门。此外，基于可控克尔非线性的一种快速数字信号处理，全光多逻辑门操控和高保真快速偏振门操控均被证明可用ARG技术来实现，而且实现门控制的光功率非常低。尽管ARG克服了介质对信号光的吸收，但是信号光的固有增益对于信息处理和量子计算来说是一个重要的缺陷，尤其是在单光子、少光子水平，这是因为ARG带来的增益，使得系统中的量子噪声也被放大，信息传输的容量减少，安全性也大大降低。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种全光，宽频，低噪声的偏振旋转门。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种全光、宽频、低噪声偏振旋转门的实现方法，利用一种相干制备的原子系统与一束强泵浦光和一束线偏振弱信号光相互作用，可使得该原子系统变成电磁诱导透明(EIT)系统和主动拉曼增益(ARG)系统的组合系统。利用两波混频效应，EIT系统产生的吸收与ARG系统产生的增益可以互相抵消，使得该原子系统具有一些优良性能。例如，信号光可在很宽的频域内实现损失/增益接近于零，原子系统中的噪声被显著抑制等，在此基础上再加入相位控制光，利用交叉克尔效应，可使得线偏振弱信号光经过原子系统后偏振方向旋转90°，从而实现偏振旋转门。
具体的，该全光、宽频、低噪声偏振旋转门的实现方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤1，设计相干制备的原子系统
该相干制备的原子系统是在铷87冷原子系统的基础上进行了初态制备，即用两束激光使得全部布局于基态的铷原子重新分布于低能态|a>和低能态|b>，且|a>态原子布局数占50％，|b>态的|L>和|R>两个塞曼子能级原子布局数各占25％；
步骤2，在步骤1中所述相干制备的原子系统在完成初态制备后，加入一束强泵浦光和一束线偏振弱信号光；基于相干制备原子系统的特殊原子布局形式，当特定的泵浦光和信号光注入后，原相干制备的原子系统变成EIT系统和ARG系统的组合系统，由于两波混频效应，所述组合系统中EIT系统产生的吸收可以和ARG系统产生的增益互相抵消，使得所述信号光工作范围变宽，所述组合系统中的噪声也被显著抑制；
步骤3，加入相位控制光，利用交叉克尔效应实现偏振旋转门
在所述组合系统中再加入一束相位控制光，由于交叉克尔效应，该相位控制光可选择性地给所述线偏振弱信号光的一个圆偏振分量写入相位π，另一个圆偏振分量保持不变，同时也不改变它们的增益和吸收，从而使得线偏振信号光的偏振方向旋转90°，此时，若线偏振弱信号光的两个圆偏振分量增益相等，即可实现偏振旋转门。
步骤2中，所述强泵浦光耦合|a>能级和|c>能级之间的跃迁，且泵浦光频率要远离激发态的共振频率，即强泵浦光的失谐为δ/2π＝-0.32GHz，从而抑制激发态的自发辐射。
步骤2中，所述线偏振弱信号光耦合|b>能级和|c>能级之间的跃迁，双光子失谐为δ2ph，当δ2ph在某一频率范围内变化时，组合系统中EIT系统产生的吸收和ARG系统产生的增益可以相互抵消，线偏振弱信号光增益在此范围内几乎为零，量子噪声也被显著抑制。这为实现宽频、低噪声的偏振旋转门提供了可能。
步骤3中，所述相位控制光Ωph耦合|b>→|j>(j＝1,2,3,4)跃迁，其失谐δ4/2π＝-20MHz。由于原子跃迁选择定则，相位控制光的一个分量耦合|L>→|j>(j＝1,2,3)之间的跃迁；另一个分量耦合|R>→|4>的跃迁，由于失谐很大此跃迁路径被认为是禁戒的。
本发明的相干制备的原子系统是在铷87冷原子系统的基础上进行了初态制备，即用两束激光使得全部布局于基态的铷原子重新分布于低能态|a>和低能态|b>，且|a>态原子布局数占50％，|b>态的|L>和|R>两个塞曼子能级原子布局数各占25％；
具有以下有益效果：
本发明提供的相干制备原子系统相对于传统的EIT系统和ARG系统来说，信号光在很宽的频率范围内增益和吸收几乎为零，因此增益过程带来的量子噪声也被显著抑制，与此同时信号光对于双光子失谐的变化不敏感。在此相干制备原子系统中利用交叉克尔效应，实现了偏振旋转门。更为重要的是，本发明提出的偏振旋转门实现方案是全光、宽频、低噪声的，这对于实验实现偏振门，以及大容量高保真的量子信息传输都具有重要意义。
附图说明
图1a为本发明的原子能级结构示意图；
图1b为偏振旋转门实现的原理示意图；
图2为本发明的理论计算结果。
图3为本发明的数值模拟结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
图1a所示为相干制备的原子能级结构示意图，本发明考虑铷87冷原子系统。为了方便初态的制备，以及提高相位控制光的利用率，本发明考虑D2/D1能级跃迁过程。假设初始时刻原子布居在低能态|a>＝|5S1/2,F＝2,mF＝1>，粒子布居数占50％，以及低能态|b>＝|5S1/2,F＝1,mF＝-1,0,1>，其中|L>＝|5S1/2,F＝1,mF＝-1>和|R>＝|5S1/2,F＝1,mF＝1>粒子布居数各占25％。一束强泵浦光ΩP耦合|a>能级和|c>＝|5P1/2,F'＝1,mF＝0>能级之间的跃迁，为了抑制激发态的自发辐射存在一个大失谐δ(δ/2π＝-0.32GHz)。由于原子的跃迁选择定则，|c>→|5S1/2,F＝1,mF＝0>的跃迁对于线偏振弱信号光ΩS来说是禁戒的，所以信号光的右旋圆偏振分量耦合|c>→|L>＝|5S1/2,F＝1,mF＝-1>之间的跃迁，左旋圆偏振分量耦合|c>→|R>＝|5S1/2,F＝1,mF＝1>之间的跃迁，有一个双光子失谐δ2ph。此时，由于两波混频效应，相干制备的原子系统结合了EIT系统和ARG系统的特点，因此可以利用传统EIT系统和ARG系统的优势，而弥补他们的缺陷，实现在很宽的信号光频率范围内吸收和增益抵消为零，量子噪声也被显著抑制。为了实现偏振旋转门，另一束相位控制光Ωph耦合|b>＝|5S1/2,F＝1,mF＝-1,1>→|j>(j＝1,2,3,4)跃迁，给信号光的两个圆偏振分量提供不同的相位,其失谐δ4/2π＝-20MHz。由于原子跃迁选择定则，相位控制光的一个分量耦合|L>→|j>＝|5P3/2,F”＝j-1,mF＝0>(j＝1,2,3)之间的跃迁，存在正负相反的多个失谐量，由于量子相消、相长原理，信号光的相位可以改变π；另一个分量耦合|R>→|4>＝|5P3/2,F”＝2,mF＝2>的跃迁，由于失谐很大，所以被认为是禁戒的。因此，在相位控制光的作用下，线偏振信号光的左旋圆偏振分量不变，右旋圆偏振分量被写入相位π，根据相位变化原理
Figure BDA0002255106810000041
线偏振光的偏振方向旋转90°。此外，由于系统的对称性原理，信号光的两个圆偏振分量的增益差必须为零，即α(+)＝α(-)。
图1b所示为偏振旋转门实现的原理示意图，左侧为输入线偏振信号光的两个圆偏振分量，在相位控制光的作用下，右旋圆偏振分量相位改变了π,左旋圆偏振分量不变，使得输出的线偏振信号光偏振方向旋转90°，变成水平偏振，从而实现了一种偏振旋转门。
图2所示为理论计算结果。根据光与物质相互作用的半经典理论，原子的运动用光学Bloch方程来描述，即
Figure BDA0002255106810000051
其中
Figure BDA0002255106810000052
表示原子的密度矩阵算符，
Figure BDA0002255106810000053
表示原子能级的自发辐射和其他损耗机制，这里本发明唯象引入。
解析求解上述表达式，本发明可以得到线偏振弱信号光的左右旋圆偏振分量的增益以及两分量相位差关于双光子失谐的变化图。如图2a所示，在0-40MHz的双光子失谐范围内线偏振弱信号光的左右旋圆偏振分量增益α(-),α(+)均接近于零(见虚线和点划线)，相位差Δφ＝φ(+)-φ(-)也几乎都为π(见实线)，尤其是当双光子失谐δ2ph＝20MHz时，相位变化为π，满足了偏振旋转门的实现的要求，本发明把这个双光子失谐值称为魔法失谐δ魔术。此外，在魔法失谐δ魔术附近较宽的双光子失谐范围内的值也均可实现偏振旋转门，所以在本发明中实现的偏振旋转门具有宽频的特点。图2b是线偏振弱信号光的相位输出噪声和振幅输出噪声关于双光子失谐的变化图，输入的是相干光
Figure BDA0002255106810000054
由图可知在0-40MHz的双光子失谐范围内，线偏振弱信号光的输出噪声谱相对于输入噪声谱来说，几乎没有改变(见虚线和点线)，即原子系统中量子噪声被显著抑制。
图3所示为数值模拟结果，其与解析结果一致，图3a和3b分别绘制了归一化的线偏振弱信号光的垂直偏振分量和水平偏振分量关于归一化传播距离和双光子失谐的变化图，由图可知，当δ2ph＝20MHz时(见水平虚线)垂直偏振的线偏振弱信号光在介质中传播一段距离后，输出的线偏振弱信号光变成了水平偏振的线偏振信号光。

Claims (4)

1.一种全光、宽频、低噪声偏振旋转门的实现方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤1，设计相干制备的原子系统
该相干制备的原子系统是在铷87冷原子系统的基础上进行了初态制备，即用两束激光使得全部布局于基态的铷原子重新分布于低能态|a>和低能态|b>，且|a>态原子布局数占50％，|b>态的|L>和|R>两个塞曼子能级原子布局数各占25％；
步骤2，在步骤1中所述相干制备的原子系统在完成初态制备后，加入一束强泵浦光和一束线偏振弱信号光；基于相干制备原子系统的特殊原子布局形式，当特定的泵浦光和信号光注入后，原相干制备的原子系统变成EIT系统和ARG系统的组合系统，由于两波混频效应，所述组合系统中EIT系统产生的吸收可以和ARG系统产生的增益互相抵消，使得所述信号光工作范围变宽，所述组合系统中的噪声也被显著抑制；
步骤3，加入相位控制光，利用交叉克尔效应实现偏振旋转门
在所述组合系统中再加入一束相位控制光，由于交叉克尔效应，该相位控制光可选择性地给所述线偏振弱信号光的一个圆偏振分量写入相位π，另一个圆偏振分量保持不变，同时也不改变它们的增益和吸收，从而使得线偏振信号光的偏振方向旋转90°，此时，若线偏振弱信号光的两个圆偏振分量增益相等，即可实现偏振旋转门。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，所述强泵浦光耦合|a>能级和|c>能级之间的跃迁，且泵浦光频率要远离激发态的共振频率，即强泵浦光的失谐为δ/2π＝-0.32GHz，从而抑制激发态的自发辐射。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，所述线偏振弱信号光耦合|b>能级和|c>能级之间的跃迁，双光子失谐为δ2ph，当δ2ph在某一频率范围内变化时，组合系统中EIT系统产生的吸收和ARG系统产生的增益可以相互抵消，线偏振弱信号光增益在此范围内几乎为零，量子噪声也被显著抑制。这为实现宽频、低噪声的偏振旋转门提供了可能。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中，所述相位控制光Ωph耦合|b>→|j>(j＝1,2,3,4)跃迁，其失谐δ4/2π＝-20MHz。由于原子跃迁选择定则，相位控制光的一个分量耦合|L>→|j>(j＝1,2,3)之间的跃迁；另一个分量耦合|R>→|4>的跃迁，由于失谐很大此跃迁路径被认为是禁戒的。
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