全光、宽频、低噪声相位门的实现方法技术

本发明专利技术涉及一种全光、宽频、低噪声相位门的实现方法。利用一种相干制备的四能级原子系统与一束强泵浦光和一束弱探测光相互作用，可使得该四能级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，可使得探测光在很宽的频域内实现增益/吸收接近于零，同时四能级原子系统中的噪声被显著抑制。在此基础上，增加一束相位控制光使探测光的相位改变π，从而实现一种全光、宽频、低噪声的相位门。

【技术实现步骤摘要】
全光、宽频、低噪声相位门的实现方法
本专利技术涉及一种相位门的实现方法，尤其涉及基于两波混频效应在相干制备的四能级原子系统中实现一种全光的，宽频的，低噪声的相位门。
技术介绍
可控门操作对量子信息技术的发展具有举足轻重的作用，其中对探测光相位的直接控制是量子信息科学中非常重要的一部分内容。在非线性光学领域，非线性相位变化主要是由自相位调制(SPM)和交叉相位调制(CPM)诱导产生的，因此人们在多种系统中尝试利用SPM和CPM来实现较大的相位变化，从而实现相位门操作，但由于各种因素的限制，可观测到的相位变化都很小。比如，固态光纤系统，光纤这种被动光学介质需要很长的传播距离才能累加得到较大的相位变化。再如，EIT气相介质，虽然EIT可以显著抑制介质对探测光的吸收，但矛盾的是在其透明窗口内非线性效应非常弱，可观测的非线性相位变化很小，只有几十度。所以如果能实现π相位变化，那对相位门操控具有极其重要的意义。主动拉曼增益(ARG)系统是人们在关于快光的研究中提出的，该系统可以很好地弥补EIT系统的缺陷。探测光在ARG系统中不仅不会被吸收，还会获得一定的相干放大，这导致了很多新现象产生，例如超光速传播，巨克尔非线性效应，CPM增强等。研究表明，同样的系统参数下，ARG系统的CPM比EIT系统大了近10倍以上，因此利用ARG技术可以使探测光无衰减地实现π相位变化，但是由于探测光被相干放大的过程中量子噪声也同样获得了增强。而在量子信息的存储和传输过程中，光场的量子噪声会对信息提取的信噪比产生一定的影响，所以减弱量子噪声对于确保信息安全以及提高信息容量等方面都有很重要的作用。
技术实现思路
本专利技术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，低噪声的相位门。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于两波混频效应的全光、宽频、低噪声相位门的实现方法，利用一种相干制备的四能级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，可使得该四能级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，可使得探测光在很宽的频域内实现吸收/增益接近于零，同时四能级原子系统中的噪声被显著抑制。在此基础上，增加一束相位控制光使探测光的相位改变π，从而实现一种全光、宽频、低噪声的相位门。具体的，该全光、宽频、低噪声相位门的实现方法，其特征在于，包括如下步骤，步骤1，设计相干制备的四能级原子系统该相干制备的四能级原子系统是在铷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|1>和低能态|3>，且原子布局数各占50％；步骤2，在步骤1中所述相干制备的四能级原子系统在完成初态制备后，加入一束强泵浦光和一束弱探测光；基于相干制备的四能级原子系统的特殊原子布局形式，当特定的泵浦光和探测光注入后，原相干制备的四能级原子系统变成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，使得所述探测光工作范围变宽，所述组合系统中的噪声也被显著抑制；步骤3，加入相位控制光来改变探测光的相位，从而实现相位门在所述组合系统中再加入一束相位控制光，在交叉相位调制下，相位控制光会改变探测光的相位，当探测光相位变化值为π时可实现相位门操控。步骤2中，所述强泵浦光耦合|1>能级和|2>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，所述弱探测光耦合|2>能级和|3>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，弱探测光的吸收/增益在此范围内几乎为零，噪声也被显著抑制。这为实现宽频、低噪声的相位门提供了可能。步骤3中，所述相位控制光Ωph耦合|3>→|4>跃迁，当相位控制光强度Ωph＝0.71GHz，失谐δ4/2π＝-20MHz时，可使得探测光相位变化π，从而实现相位门操控。本专利技术的相干制备的四能级原子系统是在铷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|1>和低能态|3>，且原子布局数各占50％；具有以下有益效果：本专利技术提供的相干制备的四能级原子系统克服了传统EIT系统和ARG系统的缺陷。利用该相干制备的四能级原子系统，探测光对双光子失谐的变化不敏感，因此可在较宽的频率范围内实现π相位移动，且系统中的噪声被显著抑制，从而可实现一种全光、宽频、低噪声的相位门。这对实验上实现相位门操控具有重要的意义，且对光通讯和信息处理领域具有潜在的应用价值。附图说明图1为本专利技术的原子能级结构示意图；图2为本专利技术的理论计算结果；具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。实施例1图1所示为相干制备的四能级原子系统的能级结构示意图。假设初始时刻原子被相干制备在两低能态|1>和|3>，粒子布居数各占50％。一束强泵浦光ΩP耦合|1>→|2>之间的跃迁，单光子失谐为δ/2π＝-0.32GHz。弱探测光Ωp耦合|2>→|3>之间的跃迁，双光子失谐为δ2ph。此时，由于两波混频效应，相干制备的四能级原子系统处于EIT系统和ARG系统的叠加状态，因此不仅具有传统EIT系统和ARG系统的优势，也可以弥补两者的缺陷。比如，单纯的EIT系统在一定的频率范围内可以有效抑制介质对探测光的吸收,但在此频率范围内非线性较弱，因此带来的非线性相位变化较小；ARG系统具有巨克尔非线性，可给探测光提供较大的非线性相位变化，而且ARG系统可以放大探测光(即产生增益)，但是其放大探测光的同时也放大了噪声。而本专利技术提出的这种相干制备的四能级原子系统可在特定的宽频范围内实现EIT系统的吸收过程和ARG系统的增益过程互相抵消，从而使得探测光增益/吸收接近于零，量子噪声被显著抑制。在此基础上，外加一束相位控制光Ωph耦合|3>→|4>跃迁，当相位控制光强度Ωph＝0.71GHz，失谐δ4/2π＝-20MHz时，可使得探测光相位变化π，从而构造一种基于两波混频效应的全光、宽频、低噪声相位门。图2为本专利技术的理论计算结果。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，即其中表示原子的密度矩阵算符，表示原子能级的自发辐射和其他损耗机制，这里我们唯象引入。解析求解上述表达式，我们可以得到探测光的相位变化以及增益/吸收关于双光子失谐的变化图，由图2a可知在很宽的双光子失谐变化范围0-40MHz内，探测光的增益/吸收几乎为零(见实线)，这是由于ARG系统产生的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全光、宽频、低噪声相位门的实现方法，其特征在于，包括如下步骤，/n步骤1，设计相干制备的四能级原子系统/n该相干制备的四能级原子系统是在铷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|1>和低能态|3>，且原子布局数各占50％；/n步骤2，在步骤1中所述相干制备的四能级原子系统在完成初态制备后，加入一束强泵浦光和一束弱探测光；基于相干制备的四能级原子系统的特殊原子布局形式，当特定的泵浦光和探测光注入后，原相干制备的四能级原子系统变成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，使得所述探测光工作范围变宽，所述组合系统中的噪声也被显著抑制；/n步骤3，加入相位控制光来改变探测光的相位，从而实现相位门/n在所述组合系统中再加入一束相位控制光，由于交叉相位调制，相位控制光会改变探测光的相位，当探测光相位变化值为π时可实现相位门操控。/n

【技术特征摘要】
1.一种全光、宽频、低噪声相位门的实现方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤1，设计相干制备的四能级原子系统
该相干制备的四能级原子系统是在铷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|1>和低能态|3>，且原子布局数各占50％；
步骤2，在步骤1中所述相干制备的四能级原子系统在完成初态制备后，加入一束强泵浦光和一束弱探测光；基于相干制备的四能级原子系统的特殊原子布局形式，当特定的泵浦光和探测光注入后，原相干制备的四能级原子系统变成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，使得所述探测光工作范围变宽，所述组合系统中的噪声也被显著抑制；
步骤3，加入相位控制光来改变探测光的相位，从而实现相位门
在所述组合系统中再加入一束相位控制光，由于交叉相位调制，相位控制光会改变探测光的相位，当探测光相位变化值...

【专利技术属性】
技术研发人员：关佳，朱成杰，羊亚平，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31