能够突破标准量子极限的原子双数态的制备研究

所有经典的双模(两路径)干涉仪的相位测量精度都受限于1/N/(1/2)(其中N为参与干涉测量的总粒子数),这一极限被称为经典极限或标准量子极限.量子计量学最重要的目标之一是探索如何通过量子纠缠实现超越经典极限的测量精度.双数态是一种能突破经典极限的纠缠态,它由数目相等、不可区分的自旋朝上和朝下(双模)玻色粒子组成.通过光学自发参量下转换或囚禁离子内态的操控手段已实现了不到十个光子或离子的双数态.利用玻色-爱因斯坦凝聚体中原子的自旋混合过程,近年来也能产生多达几千个原子的双数态.但是这样制备的双数态的总粒子数的随机涨落过大,限制了它们的实际应用潜力.最近,我们通过调控原子凝聚体中的量子相变,实现了超过一万个原子的双数态的确定性制备.本文简要综述这一研究进展.     

虚光场对双模SU(1,1)相干态光场与原子玻色-爱因斯坦凝聚体相互作用系统中量子纠缠的影响

在双模SU(1,1)相干态光场和原子玻色-爱因斯坦凝聚体相互作用系统中, 应用全量子理论, 在非旋波近似下, 分别利用量子约化熵和量子相对熵, 研究了双模SU(1,1)相干态光场与原子玻色-爱因斯坦凝聚体间的量子纠缠和双模光场的模间纠缠, 讨论了虚光场、原子-场的耦合常数和光场参数对场-凝聚体原子纠缠和光场模间纠缠的影响.     

利用明亮纠缠光的连续变量量子离物传态的实验研究

我们利用单个II类相位匹配OPA产生的双模压缩态实现连续变量压缩纠缠态,完成了连续变量量子离物传态.利用II类相位匹配OPA参量缩小过程可以实现正交振幅反关联、正交位相关联的压缩纠缠态,与运转于阈值以下的OPO产生的正交振幅关联、正交位相反关联的压缩纠缠态相比,这种纠缠可以采用直接平衡测量的方法完成Bell态测量.利用双KTP补偿非线性过程的离散效应,获得了最大压缩大于2 dB的双模压缩纠缠态,采用直接测量的方法,我们完成了真空场正交分量的离物传送.探测器探测效率93%,保真度达到0.59.采用这种方案简化了测量方法与纠缠光源产生装置,有利于进行量子通信的实验研究与应用.     

超冷原子系综的非高斯纠缠态与精密测量

量子精密测量是基于量子力学的基本原理对特定物理量实施测量,并利用量子效应提高测量精度的交叉科学.随着超冷原子实验技术的发展,超冷原子为量子精密测量提供了一个优异的研究平台.利用发展成熟的量子调控技术,人们可以基于超冷原子系综制备一些新奇的非高斯多粒子纠缠态.基于多体量子干涉,利用这些非高斯纠缠态作为输入,可以实现超越标准量子极限的高精度测量.本文简要综述这一研究领域的进展.     

半无限深势阱中自旋相关玻色-爱因斯坦凝聚体的量子反射与干涉

玻色-爱因斯坦凝聚体与势垒或势阱的量子反射及干涉是考察宏观物质波奇特物性的最有效途径之一.利用传播子方法和基于冷原子实验广泛采用的飞行时间吸收成像方案,研究自旋相关玻色-爱因斯坦凝聚体在半无限深势阱中的反射和干涉演化动力学,得到了自旋相关的凝聚体波函数的严格解析解.结果表明,当自旋相关光晶格关闭后,非局域于不同格点中相同自旋态的物质波在自由膨胀过程中发生量子干涉,形成了对比度明显的干涉条纹.与此同时,扩张的自旋相关物质波包与半无限深势阱壁相遇发生量子反射,反射波与入射波产生二重干涉,在密度分布两边对称的局部位置出现剧烈的振荡,干涉条纹表现出显著的调制效应.分析讨论了自旋态、相干输运距离和相对相位等因素对干涉条纹的影响.该研究有助于促进对自旋相关凝聚体宏观量子特性的认识,为深入检验自旋相关光晶格中凝聚体干涉的理论模型和物理机理提供依据和新方案.     

耗散腔中两二能级原子态的自旋压缩,量子Fisher信息和最大自旋涨落

在能量耗散腔中,原子用泡利算符描述,光场用相干态描述,运用密度矩阵理论,得到了两二能级原子密度矩阵元的演化规律,分析了与单模辐射场作用过程中原子态的自旋压缩、量子Fisher信息和最大自旋涨落.结果表明:自旋压缩,大于 的最大自旋涨落可以作为量子纠缠的充分必要判据.自旋压缩, 大于 的最大自旋涨落和量子纠缠,它们互相等价.大于1的Fisher信息与它们之间没有等价关系,但可以作为自旋压缩和量子纠缠的充分判据.     

虚光场效应对原子激光压缩性质的影响

在压缩真空态光场和二能级原子玻色-爱因斯坦凝聚体相互作用系统中, 应用全量子理论, 分别在旋波近似和非旋波近似下, 研究了原子激光的压缩特性以及原子本征频率、光场-原子的耦合系数、光场初始压缩因子以及虚光场对原子激光压缩特性的影响. 研究表明,原子激光的两个正交分量均可被周期性压缩,原子的本征频率决定了原子激光两个正交分量涨落的量子Rabi频率,光场与原子的耦合系数决定了原子激光正交分量涨落的崩塌-回复振荡频率,当光场初始压缩因子增大和考虑虚光场效应时,原子激光正交分量的压缩深度均加深. 关键词： 玻色-爱因斯坦凝聚 压缩真空态 原子激光 虚光场效应     

耗散腔中两二能级原子态的自旋压缩量子Fisher信息和最大自旋涨落

在能量耗散腔中,原子用泡利算符描述,光场用相干态描述,运用密度矩阵理论,得到了两二能级原子密度矩阵元的演化规律,分析了与单模辐射场作用过程中原子态的自旋压缩、量子Fisher信息和最大自旋涨落.结果表明:自旋压缩,大于1/2的最大自旋涨落可以作为量子纠缠的充分必要判据.自旋压缩,大于1/2的最大自旋涨落和量子纠缠,它们互相等价.大于1的Fisher信息与它们之间没有等价关系,但可以作为自旋压缩和量子纠缠的充分判据.     

原子间相互作用对V型三能级原子激光压缩性质的影响

研究了V型三能级原子玻色-爱因斯坦凝聚体与双模压缩相干态光场相互作用系统中原子激光的两个正交分量的压缩性质,并与三型三能级原子玻色-爱因斯坦凝聚体和双摸压缩相干态相互作用系中原子激光的压缩作了比较.结果表明:压缩相干态光场的初始压缩因子和凝聚体中原子间的相互作用强度对原子激光的两个正交分量的压缩有明显的影响,随光场压缩因子增大原子激光的压缩深度增加,而随原子间相互作用变强,对原子激光的正交分量的压缩的影响变浅.     

原子玻色-爱因斯坦凝聚体对V型三能级原子激光压缩性质的影响

利用格子液体方法对V型三能级原子玻色-爱因斯坦凝聚体与双模压缩相干态光场相互作用系统的哈密顿量进行分析,发现文献中对原子间相互作用部分的处理有不合理之处,从而对该哈密顿量作出了改进并研究了V型三能级原子玻色-爱因斯坦凝聚体与双模压缩相干态光场相互作用系统中原子激光的两个正交分量的压缩性质.研究表明:V型三能级原子玻色-爱因斯坦凝聚体中光场-原子相互作用强度对原子激光的两正交分量的涨落有明显的影响. 关键词： 玻色-爱因斯坦凝聚 V型三能级原子 压缩相干态 压缩原子激光     

Atomic Tunnelling Dynamics of Two Squeezed Bose-Einstein Condensates

In this paper, tunnelling dynamics of squeezed Bose-Einstein condensates (BEC's) in the presence of the nonlinear self-interaction of each species, the interspecies nonlinear interaction, and the Josephson-like tunnelling interaction is investigated by using the second quantization approach. The influence of BEC squeezing on macroscopic quantum self-trapping (MQST) and quantum coherent atomic tunnelling is analyzed in detail. It is shown that the MQST and coherent atomic tunnelling between two squeezed BEC's can be manipulated through changing squeezing amplitude and squeezing phase of BEC squeezed states.     

原子间相互作用对光场和原子激光压缩性质的影响

对文献中给出的光场与二能级原子玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)相互作用系统的哈密顿量进行分析，表明文献中对原子间相互作用部分的处理有不合理之处，文献中的处理过高估计了原子间相互作用的贡献，从而对该哈密顿量作出了改进.用改进的哈密顿量解析地求解了非旋波近似下光子和原子算符的运动方程，并结合BEC的有关实验条件对哈密顿量中的有关参数作出了估计，研究了光场与原子玻色-爱因斯坦凝聚体相互作用系统中，光场和耦合输出相干原子束的压缩性质.结果表明：光场两正交分量的涨落均随时间按余弦规律周期性地变化，原子激光的两正交分量 关键词： 玻色-爱因斯坦凝聚 压缩相干态 光场的正交压缩 压缩原子激光     

Magnon squeezing states in a ferromagnet

In this Letter we discuss squeezing state of magnon in ferromagnet, which permits a reduction in the quantum fluctuation of the spin component to below the zero-point quantum noise level of coherent magnon states. We investigate the generation of squeezed magnon state through calculating the expectation values of spin component fluctuation. The mean field theory is introduced in dealing with the nonlinear interaction terms of Hamiltonian of magnon system.     

Can a quantum nondemolition measurement improve the sensitivity of an atomic magnetometer?

We consider the limitations due to noise (e.g., quantum projection noise and photon shot-noise) on the sensitivity of an idealized atomic magnetometer that utilizes spin squeezing induced by a continuous quantum nondemolition measurement. Such a magnetometer measures spin precession of N atomic spins by detecting optical rotation of far-detuned light. We show that for very short measurement times, the optimal sensitivity scales as N(-3/4); if strongly squeezed probe light is used, the Heisenberg limit of N-1 scaling can be achieved. However, if the measurement time exceeds tau(rel)/N(1/2) in the former case, or tau(rel)/N in the latter, where tau(rel) is the spin relaxation time, the scaling becomes N(-1/2), as for a standard shot-noise-limited magnetometer.     

Generation of squeezed atomic states in cavity QED

A squeezed atomic state is that state of a system of two-level atoms for which the intrinsic quantum noise in a process of measurement is less than the minimum noise obtained by using a spin coherent state. It is shown that such a state is generated in certain time intervals when a non-squeezed atomic state evolves on interaction with a single mode coherent field inside a lossless cavity. The atoms are assumed to undergo one-photon or two-photon transitions between the given two levels. The maximum atomic squeezing is found as a function of the number of atoms and the field strength. The effect of the field-dependent Stark shift is investigated in the case of the atoms undergoing two-photon transitions.     

基于电磁诱导透明机制的压缩光场量子存储

光场的量子存储不仅是构建量子计算机的重要基础,而且是实现量子中继和远距离量子通信的核心部分.由于存在不可避免的光学损耗,光学参量放大器产生的压缩真空态光场将变为压缩热态光场,不再是最小不确定态.因此,压缩热态光场的量子存储是实现量子互联网的关键.在原子系综中利用电磁诱导透明机制能够实现量子态在光场正交分量和原子自旋波之间的相互映射,即受控量子存储.本文根据量子存储的保真度边界,研究了实现压缩热态光场量子存储的条件.量子存储的保真度边界是通过经典手段能够达到的最大保真度,当保真度大于该边界时,就实现了量子存储.通过数值计算分析了不同情况下压缩热态光场的量子存储保真度边界,以及存储保真度随存储效率的变化关系,得到了实现量子存储的条件,为连续变量量子存储实验设计提供了直接参考.     

基于压缩光的量子精密测量

对任何物理量的测量都有一定的噪声, 经典测量所能达到的最小噪声一般称为散粒噪声, 对应着测量的标准量子极限. 利用压缩光可以突破标准量子极限, 从而提高测量精度. 本文介绍了压缩态光场用于突破标准量子极限的基本原理, 以及压缩态光场在相位测量、光学横向小位移及倾斜测量、磁场测量以及时钟同步等精密测量领域的应用和最新进展.     

Generation of squeezed vacuum on cesium D2 line down to kilohertz range

We report the experimental generation of a squeezed vacuum at frequencies ranging from 2.5 kHz to 200 kHz that is resonant on the cesium D2 line by using a below-threshold optical parametric oscillator(OPO). The OPO is based on a periodically-poled KTiOPO_4(PPKTP) crystal that is pumped using a bow-tie four-mirror ring frequency doubler. The phase of the squeezed light is controlled using a quantum noise locking technique. At a pump power of 115 mW, maximum quadrature phase squeezing of 3.5 d B and anti-squeezing of 7.5 d B are detected using a home-made balanced homodyne detector. This squeezed vacuum at an atomic transition in the kilohertz range is an ideal quantum source for quantum metrology of enhancing measurement precision, especially for ultra-sensitive measurement of weak magnetic fields when using a Cs atomic magnetometer in the audio frequency range.     

Information Entropy Squeezing of a Two-Level Atom Interacting with Two-Mode Coherent Fields

From a quantum information point of view we investigate the entropy squeezing properties for a two-level atom interacting with the two-mode coherent fields via the two-photon transition. We discuss the influences of the initial state of the system on the atomic information entropy squeezing. Our results show that the squeezed component number, squeezed direction, and time of the information entropy squeezing can be controlled by choosing atomic distribution angle, the relative phase between the atom and the two-mode field, and the difference of the average photon number of the two field modes, respectively. Quantum information entropy is a remarkable precision measure for the atomic squeezing.     

低分析频率压缩光的实验制备

基于PPKTP晶体的阈值以下光学参量振荡(OPO)过程,制备了共振于铷原子D1线795 nm的压缩真空态光场,研究了分析频率处于千赫兹范围的主要噪声来源,特别是795 nm激光及其二次谐波397.5 nm激光在晶体内吸收引起的非线性损耗增加和系统热不稳定的问题(397.5 nm激光处于PPKTP晶体透光范围边缘,具有高于其他波长数倍的吸收系数).以795 nm和1064 nm为例,分析了非线性损耗及晶体内热效应对压缩度的影响.受限于以上因素,795 nm压缩光很难得到1064 nm波段同样的压缩度.探测系统中的噪声耦合则限制了压缩频带.实验上对分析频率为千赫兹的经典噪声进行了有效控制,通过使用真空注入的OPO、垂直偏振及反向传输的腔长锁定光、低噪声的平衡零拍探测器、高稳定度的实验系统及量子噪声锁定等方法,最终在2.6—100 kHz的分析频段得到了约2.8 dB的795 nm压缩真空.该压缩光可用作磁场测量系统的探测光以提高测量灵敏度.