銣原子吸收線波段雙色連續(xù)變量糾纏態(tài)的實(shí)驗(yàn)制備

趙軍軍，郭曉敏，王旭陽，王寧，李永民

（山西大學(xué) 光電研究所，量子光學(xué)與光量子器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006）

0 引言

量子糾纏態(tài)是量子信息處理的重要基本資源.對于未來的長距離量子信息網(wǎng)絡(luò)［1］，其各個(gè)節(jié)點(diǎn)通常由不同的物理器件構(gòu)成，從而具有不同的特征光學(xué)頻率.例如長程量子通信器件可以利用光纖作為量子通道實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的長程傳輸，因而可以選取光纖的最低損耗窗口1.5μm作為其特征頻率.量子記憶器件是量子信息網(wǎng)絡(luò)必不可少的重要組成部分，目前，基于堿金屬原子的量子記憶的相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)研究已取得了突破性進(jìn)展［2-4］，因此量子記憶器件的特征頻率可以選擇在0.8μm波段.量子離物傳態(tài)可以實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)移，為了實(shí)現(xiàn)攜帶有量子信息的量子態(tài)在各個(gè)量子節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行可靠的傳遞，可以利用多色量子糾纏態(tài)光場作為糾纏源的量子離物傳態(tài)過程.這里的多色量子糾纏態(tài)，是指構(gòu)成量子糾纏態(tài)的各個(gè)組分的載波頻率不簡并.例如，載波分別位于光通信和量子記憶波段的雙色糾纏態(tài)光場就可以用來完成上述的具有不同特征頻率的量子通信器件和量子記憶器件的非經(jīng)典連接（量子通信）.

如上所述，由于在量子信息網(wǎng)絡(luò)的潛在重要應(yīng)用，多色非經(jīng)典光場的研究引起了人們的濃厚興趣.到目前為止，基于二階自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程和四波混頻過程，人們已經(jīng)實(shí)驗(yàn)制備出0.8和1.6μm波段的偏振糾纏光子對［5-7］以及頻率糾纏光子對［8-9］；利用閾值以上的光學(xué)參量振蕩器和抽運(yùn)光消耗的光學(xué)參量放大器，雙色以及三色連續(xù)變量糾纏態(tài)也被實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)［10-22］，其中，光通信和堿金屬原子量子記憶波段的雙色連續(xù)變量量子糾纏態(tài)光場也在實(shí)驗(yàn)上成功制備［19-21］.在本文中，我們實(shí)驗(yàn)制備了頻率可連續(xù)調(diào)諧的雙色連續(xù)變量糾纏態(tài)，糾纏光束中的一束位于堿金屬銣原子的吸收線波段（795nm），另一束位于光通信波段（1560nm），其中，795nm的光場可以被精確調(diào)諧到銣-87原子D1線的超精細(xì)躍遷線上.

1 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果

可連續(xù)調(diào)諧的雙色糾纏態(tài)光場制備的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1（P193）所示，抽運(yùn)光源為自制的526.5nm的單頻可連續(xù)調(diào)諧內(nèi)腔倍頻Nd：YLF／LBO激光器.抽運(yùn)激光被分為兩部分分別從正反兩個(gè)方向抽運(yùn)非線性環(huán)行共振器.環(huán)行共振器采用8字腔結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)平面鏡和兩個(gè)凹面鏡構(gòu)成，其中兩個(gè)輸入耦合鏡鍍有0.8和1.5μm的高反膜（＞99.8%），526.5nm 的高透膜（98%）；輸出耦合鏡鍍有526.5nm 的高反膜（＞99%），0.8和1.5μm的部分反射膜（～6%）；剩余的平面鏡鍍有526.5nm高反膜（＞99%），0.8和1.5μm的高反膜（＞99.8%）.非線性晶體采用20mm長的周期極化KTiOPO4晶體（PPKTP），晶體兩端光學(xué)拋光并鍍有526.5nm，0.8和1.5μm波段的減反膜，晶體被置于精確控溫的紫銅爐內(nèi)（控溫精度0.01℃），外面包裹絕熱材料.環(huán)行共振器的所有元件均固定在整塊殷鋼板上，并利用有機(jī)玻璃罩密封隔振.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖.DBS，雙色分束鏡；NDP，中性衰減片F(xiàn)ig.1 Schematic of the experimental setup.DBS：dichroic beam splitter；NDF：neutral density filter

在環(huán)行共振器的正向上，調(diào)節(jié)抽運(yùn)光功率的大小使其等于1.2倍的光學(xué)參量振蕩器（OPO）的閾值功率，這時(shí)正向的非線性共振器為運(yùn)轉(zhuǎn)于閾值以上的OPO；在反向，抽運(yùn)光功率大小設(shè)置為0.6倍的閾值功率，這時(shí)非線性共振器為運(yùn)轉(zhuǎn)于閾值以下的光學(xué)參量放大器（OPA）.正向的閾值以上的OPO產(chǎn)生的明亮0.8和1.5μm的孿生光束被用于三個(gè)方面：作為雙色糾纏態(tài)光場糾纏測量所需的本地光場；為反向的OPA提供1560nm種子光場；為銣原子飽和吸收譜裝置提供795nm光場，從而實(shí)現(xiàn)糾纏光場到銣原子超精細(xì)躍遷線的連續(xù)調(diào)諧.

通過利用只注入信號(hào)光的相位非敏感OPA，我們可以實(shí)現(xiàn)雙色糾纏態(tài)光場的魯棒性制備，即我們的實(shí)驗(yàn)方案消除了通常OPA實(shí)驗(yàn)中所必需的信號(hào)光和抽運(yùn)光的相對相位的精確鎖定要求，從而在很大程度上簡化了實(shí)驗(yàn)裝置，同時(shí)增強(qiáng)了該器件的抗外界干擾能力，有利于雙色糾纏源器件的器件化和實(shí)用化.正交振幅分量差和正交位相分量和噪聲譜通過平衡零拍探測系統(tǒng)和頻譜分析儀來觀測和記錄，實(shí)測的典型量子關(guān)聯(lián)度為3dB（2MHz分析頻率處），如圖2（P194）所示.為了實(shí)現(xiàn)糾纏光束中795nm信號(hào)光的波長到銣-87原子D1線超精細(xì)能級(jí)的調(diào)諧，我們采取了如下方法：首先通過改變非線性晶體PPKTP的溫度來實(shí)現(xiàn)信號(hào)光波長到銣-87原子D1線的粗略調(diào)諧（誤差±0.01nm），實(shí)驗(yàn)測量的PPKTP晶體的溫度調(diào)諧系數(shù)為0.2nm／℃.然后，我們固定非線性晶體的溫度，通過掃描OPO腔的腔長來實(shí)現(xiàn)信號(hào)光波長的mode-hop調(diào)諧，其中mode-hop調(diào)諧的步長為OPO腔的自由光譜范圍（約為950MHz），實(shí)驗(yàn)上測量到當(dāng)腔長改變抽運(yùn)光波長的一半時(shí)，相應(yīng)的總的mode-hop調(diào)諧范圍為0.2nm.在上述兩步的調(diào)諧過程中，利用高精度的波長計(jì)對信號(hào)光的波長進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，經(jīng)過上述兩步的調(diào)諧，我們可以將信號(hào)光的波長調(diào)諧至距離目標(biāo)波長小于950MHz的范圍.這時(shí)，將OPO腔的腔長鎖定到選定的信號(hào)光-閑置光模對上，最后，通過對OPO抽運(yùn)激光頻率的連續(xù)調(diào)諧進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信號(hào)光的連續(xù)調(diào)諧，這時(shí)就可以將795nm信號(hào)光波長精確調(diào)諧至所需的銣-87原子D1線的超精細(xì)躍遷線，并進(jìn)行飽和吸收譜線的觀測和記錄.這里需要指出的是，第三步中795nm信號(hào)光場的連續(xù)調(diào)諧范圍必須大于第二步mode-hop調(diào)諧的步長，即大于950MHz，這樣就可以確保調(diào)諧過程中整個(gè)波長范圍的無縫覆蓋.在我們的實(shí)驗(yàn)中，信號(hào)光的連續(xù)調(diào)諧范圍大于2.4 GHz，滿足上述要求.

如圖1所示，我們將795nm的本地光分出一部分以進(jìn)行銣-87原子的超精細(xì)躍遷譜線的觀測.分出的光場入射到偏振分束棱鏡上，一部分被透射進(jìn)而入射到高精度波長計(jì)，進(jìn)行波長的精確實(shí)時(shí)測量；另一部分（約0.5 mW）被偏振分束棱鏡反射后作為強(qiáng)的抽運(yùn)光入射到銣原子氣室.從銣原子氣室透射的抽運(yùn)光被平面反射鏡反射后兩次經(jīng)過中性衰減片衰減，作為弱的探針光反向進(jìn)入銣原子氣室.旋轉(zhuǎn)四分之一波片的光軸方向，使得反向的探針光能夠完全穿過偏振分束棱鏡，透射的探針光被高增益、低噪聲的光電探測器探測，其光電信號(hào)由數(shù)字示波器觀測和記錄.圖3（P194）是實(shí)驗(yàn)測量到的銣-87原子D1線（5S1／2-5P1／2的躍遷線）的超精細(xì)躍遷的譜線，其中譜線（a）為：87Rb 52S1／2（F＝1）-52P1／2（F＝1，2），譜線（b）為：87Rb 52S1／2（F＝2）-52P1／2（F＝1，2），該躍遷線已被用于基于電磁感應(yīng)透明機(jī)制的壓縮真空場的量子記憶的實(shí)驗(yàn)研究.

圖2 雙色糾纏光場量子關(guān)聯(lián)譜的測量.（i）散粒噪聲；（ii）量子關(guān)聯(lián)噪聲譜Fig.2 Observation of quantum correlation noises between the 795and 1560nm fields.（i）Shot noise limit；（ii）Quantum correlation noise spectrum

圖3 銣-87原子D1線的超精細(xì)能級(jí)躍遷的飽和吸收光譜Fig.3 Saturated absorption spectrum of hyperfine levels transition for 87 Rb D1line

3 總結(jié)

由于其在量子通信領(lǐng)域中有重要潛在應(yīng)用價(jià)值，具有不同載波頻率的多色量子糾纏態(tài)光場引起了研究人員的關(guān)注和濃厚興趣，并取得了很大進(jìn)展.在本文中，我們利用頻率非敏感的光學(xué)參量放大器方案實(shí)驗(yàn)制備了795nm和1560nm的雙色連續(xù)變量糾纏態(tài)光場，并通過非線性晶體的溫度調(diào)諧、光學(xué)參量放大器的腔長調(diào)諧以及抽運(yùn)光頻率的連續(xù)調(diào)諧實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了795nm信號(hào)光波長到銣-87原子D1線的超精細(xì)躍遷線的調(diào)諧.該雙色量子糾纏光源將被應(yīng)用于長程量子通信的實(shí)驗(yàn)研究中.

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