（物理电子学专业论文）冷原子量子存储中的激光稳频与锁相技术.pdf

摘要 摘要 量子信息是量子物理和信息科学交叉发展起来的新学科，主要包含了量子 计算、量子通信和量子密码术三个方面。在理论上，量子计算机有超强的计算 能力以及量子密码有绝对可靠的信息传输安全性。关于量子计算以及量子密码 的理论工作已经很完善，已经提出了很多原理甚至算法。然而在实用化进程中， 量子计算以及量子密码都遇到了大难题。量子计算亟需解决量子存储的问题， 以使系统的量子比特数更多。远距离乃至全球的量子密码通信需要解决量子中 继的问题。这也需要一个量子存储器。要想实现量子存储，首先需要寻找一种 适合用于量子存储的媒介。 光子的高传播速度和低损耗使其非常适合作为量子信息的传输媒介。而冷 原子的稳态性以及和环境的弱耦合，使冷原子十分适合作为量子信息的存储媒 介。冷原子技术的进步有望给量子存储带来突破性进展，从而推进量子信息的 实用化进程。 冷原子指的是处于极冷状态的稀薄原子气体，一般温度只有数十uk 的量 级。这种状态下原子的热运动速度很小，对于8 7 r b 原子来说最概然速度约为 o 0 5 m s ( 作为参照，室温下这个速度约为2 5 0 m s ，和客机的速度不多) 。如此 慢速的原子动能很小，可以很容易地被激光囚禁在一定的局域空间里，并且多 普勒效应基本可以忽略。同时，冷原子的稀薄性使得原子间的相互作用力非常 小，可以认为每个原子都是一个静止的孤立体系。这种孤立体系一直是科学家 们梦寐以求的，是基础科学研究非常理想的载体。 冷原子的获得很大程度上归功于室温原子的激光冷却技术以及冷原子的激 光陷俘技术的进步。由于对激光冷却以及激光陷俘做出了巨大贡献，朱棣文等 人荣获了1 9 9 7 年的诺贝尔物理学奖。这掀起了冷原子研究的热潮。不久后，2 0 0 1 年、2 0 0 5 年的诺贝尔物理学奖都是与冷原子有直接的关系。十多年了，激光冷 却和俘获原子的技术得到了充分的发展，出现了各种各样的形式。但不管什么 样的冷却和陷俘手段，基本上都对激光这一重要的工具有苛刻的要求，否则无 法达到冷却和陷俘的目的。最重要的一个要求是很窄的线宽以及很高的频率稳 定度。本论文第二章和第三章的工作就是分别为了解决这两个问题的，为冷原 子实验平台构建了最基本的条件。第二章中，通过给激光器增加一个光栅型外 腔反馈的办法，压窄了半导体激光器的线宽。第三章中，通过射频调制的饱和 吸收稳频方法，使激光器的频率锁定到十分稳定的原子的超精细跃迁线上。论 文中实现的稳频系统能直接替换从德国进口的昂贵系统。在第三章的内容里， 详细分析了射频调制的饱和吸收稳频方法所需要的误差信号的产生机制，并给 i 摘要 出了不同调制频率下误差信号的理论曲线。对误差信号产生机制进行了深入研 究之后，本文提出了同时利用色散和吸收来产生误差信号的新算法，有望扩大 频率锁定范围和压窄线宽。关于射频调制饱和吸收稳频的误差信号产生的内容 国内所见的文献很少提及。这两章的工作为冷原子的获得提供了基础。 冷原子独特的性质早使它深入到了各个领域特别是微尺度物质科学当中， 这包括了量子信息学这一门新兴的交叉学科。 为了能开展基于冷原子系综的量子存储实验，除了需要有获得冷原子的设 施之外，还需要有能对冷原子系综进行量子操控的手段。比如像基于e i t 现象 的量子存储实验中，就需要两台频率相差一定的值并且有固定相位关系的锁相 激光器系统。本论文第四章的工作是针对半导体激光器锁相的研究，分别设计 了模拟o p l l ( o p t i c a lp h a s el o c kl o o p ) 和数字0 p l l 对两台激光器进行了相位 锁定，为冷原子量子存储实验提供了必需的操作手段。设计的数字0 p l l 能够实 现频差高达7 g h z 的两台激光器的相位锁定。类似的锁相研究在国内还未见报 道。 除了上面几项针对冷原子量子存储实验的工作外，本人还承担了城域量子 电话网络中的交换节点的设计任务。实现了国内首个8 用户的光量子程控交换 机，使得方圆2 0 公里内的8 个用户能够两两进行量子级别的保密通话或者其它 保密应用。该交换机的实现使目前的量子保密通信向实用化和网络化又迈进了 一大步。 综合以上所述，本论文的主要工作和创新点如下： 1 采用射频调制的饱和吸收稳频法，实现了对自制外延腔半导体激光器 的高集成度稳频系统，为冷原子量子存储实验打下了基础。该稳频系 统达到了德国进口的同类产品的性能。 2 采用数字锁相的办法，实现了频差高达7 g h z 的两台外延腔半导体激光 器的锁相，并且有很宽的频率捕获范围，工作稳定性和复现性很好。 为基于8 7 r b 电磁诱导透明的量子存储实验做好了准备。国内目前还没 有相关的锁相研究见报道。 3 设计和实现了国内首个8 节点的光量子程控交换机，为保密通信向实 用化和网络化发展打下了基础。 关键词：冷原子量子存储量子中继外延腔半导体激光器饱和吸收稳频 原理调频光谱激光锁相量子交换机 i i a b s t r a c t 一一_ _ - - _ 一 a b s t r a c t o u a n 觚ni n f o 珊a t i o n i san e wi n t e r d i s c i p l i n eo fq u a n t u mp h y s i c sa 1 1 d i n f o n n a t i o ns c i e n c e i tm a i n l yi n c l u d e sq u a n t u i nc o m p u t l n g ，q u n t u mc o m m u n l c a t l o n a n dq m l t u mc r y p t o g r 印h y i nt h e o r y ，q u a n t l l mc o m p u t e rh a st r e m e n d o u sc a l c u l a t i n g c a p a c i t y ，a n dt h eq u a n t 啪c r y p t o g r a p h yp r o v i d e sa i la b s 0 1 u t es a f - e 哆o fi n f o n n a t i o n d u r i n gt r a j l s m i s s i o n t h em e o r e t i c a l 、v o r k so fq u a n t u mc o m p u t i n ga n dq u a n t u m c r y p t o g r a p h ya r ev e r ) ，c o n s u m m a t e an 啪b e ro fp r i n c i p l e s a n da l g o r i t l u l l sh a v e b e e nm a d e b u td u r i n gt h ep r o g r e s so fp r a g m a t i z i n g ，b o t l lq u a n t u mc o h l p u t i n ga 1 1 d q u a n n nc r y p t o g r a p h ye n c o u n t e rg r e a td i m c u l t i e s ，q u 咖c o h 巾u t i n gh a s t 0s o l v e t h ep r o b l e mo fq u 甜曲mm e m o r yt og e tm o r eq u a n t u mb i t s i nas y s t e m d i s t a n to r g l o b a lq u a n t 啪c r y p t o g r a p h yc o m m u n i c a t i o nn e e d saq u 枷l u i l r e p e a t e r ，w h l c h i n c l u d eaq u a n t u mm e m o 珥i i lo r d e rt oa c h i e v eq u a i l t 哪m e m o f l r s to fa l la s u i t a b l es t o r a g em e d i u mf o rq u a n t u ms h o u l db ef o u n d t l l eh i 曲p r o p a g a t i o nv e l o c i t ya n dl o wl o s sm a k ep h o t o nav e r yg o o dm e d l u m f o rt r a n s m i s s i o no fq u a n t 哪i 幽蛐a t i o n a n dt h es t a t i o n 2 u r i t ya n dl o wc o u p l ew i t 王1 e n v i r o n m e n tm a k ec o l da t o m sv e r ys u i t a b l em e d i u mf o rt h es t o r a g eo fq u a n t u m i n f o 肌a t i o n t h ea d v a n c eo fc 0 1 da t o m i ct e c l l o l o g yw i l lb m g ab r e a k t l l 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，q u a n t u mr e p e a t e r ，e x t e n d e dc a v i t y d i o d el a s e r ，t h ep r i n c i p l eo fl a s e rf r e q u e n c ys t l b i l i z i n gb ys a t u r a t e d a b s o 印t i o n ，f ms p e c t r o s c o p y ，p h a s el o c l ( i n gb e t w e e nl a s e r s ，q u a n t u m s w i t c h v 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作 了明确的说明。 作者签名：泣竺整 签字日期： 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 t 囱公开口保密( 年) 作者签名： i 型 导师签名： 签字日期：亟! 乒坚啦签字日期：享垃 第1 章冷原子量子存储实验简述 第1 章冷原子量子存储实验简述 1 1量子力学和量子信息 2 0 世纪初，经典物理学发展到了巅峰，物理大厦几近落成。就在人们准备 为此庆贺的时候，却发现这座物理大厦的根基需要进行修补甚至重建! 起因是 随着科学技术的发展，人类的视野深入到了微观世界，发现了与经典物理理论 相矛盾的一系列现象。诸如存在包含无穷能量的“紫外灾难”，或者电子必须旋 转着进到原子核内部等。这些现象就像是乌云一样笼罩在当时看似完美的物理 大厦上空，引发了一场出人意料的革命。量子力学就是在这场革命中孕育出来 的新兴理论之一。量子力学认为，分立性或者非连续性是自然的一种本性，这 种本性在微观世界里被更突出地体现出来。在量子力学中，一个物理体系的状 态由态函数表示，态函数的任意线性叠加仍然代表体系的一种可能状态。状态 随时间的变化遵循一个线性微分方程，该方程预言体系的行为，物理量由满足 一定条件的、代表某种运算的算符表示；测量处于某一状态的物理体系的某一 物理量的操作，对应于代表该量的算符对其态函数的作用；测量的可能取值由 该算符的本征方程决定，测量的期待值由一个包含该算符的积分方程计算。 尽管帮助了建立量子力学的伟大物理学家e i n s t e i n 到去世时都还不能接 受这一规则简单但并不直观的理论，但量子力学的理论相继经历了许许多多的 实验考验，并深入应用到了原子结构、自然界基本粒子、超导体、d n a 结构、 乃至恒星核聚变等各个方面。量子场论甚至认为，除通过广义相对论描写的引 力外，至今所有其它物理基本相互作用均可以在量子力学的框架内描述。难怪 普朗克说“一个新的科学真理取得胜利并不是通过让它的反对者们信服并看到 真理的光明，而是通过这些反对者们最终死去，熟悉它的新一代成长起来。”这 一断言被称为普朗克科学定律，并广为流传。 量子力学理论在自身的发展以及完善的过程中，它的一些基本原理，比如 量子态叠加原理，以及未知量子态不可克隆原理等，和经典的信息科学、计算 机科学等学科相结合，产生了量子信息这一新兴的交叉学科。量子信息学研究 的主要对象是量子态，通过对量子态的制备、存储、操纵、传输以及读出等， 超越经典理论的极限，实现经典信息论和经典计算机所不能完成的信息传输和 处理的任务。例如：利用量子态的相干叠加方式，可以实现信息的并行处理， 获得任何经典计算机都无法比拟的超强计算能力，能够轻松地破解现行的r s a 加密体系。利用未知量子态不可克隆原理，可以进行绝对安全的密钥分发。 】 第1 章冷原子量子存储实验简述 利用量子态作为信息载体，能使信息传输的通道容量和效率突破经典信息论 的极限。上面三个例子分别对应于量子信息学的三个主要领域：量子计算、量 子密码术和量子通信。 量子信息的三个主要领域和人类的生产生活息息相关，属于前沿科学技术， 有着诱人的应用前景。由于量子信息处理技术可望成为未来信息社会的支柱， 国际上重要的西方国家，特别是美国和欧盟均投入大量人力物力于量子通信的 理论和实验研究，量子信息已成为学术界的热门课题，其发展十分迅猛，参与 研究的国家、机构和人员日益增多。以美国为例，加州理工大学、m 工t 和南加 州大学联合成立了量子信息和计算研究所；在l o sa l a 功o s 国家实验室，正在实 验上研究局域网的量子密码体系和自由空间中的量子密钥传送：美国国家标准 和技术研究所( n i s t ) 将量子信息作为三项重点研究方向之一。在欧洲，则成 立了以英国、法国、德国、意大利、奥地利和西班牙等国在内的量子信息物理 学研究网，其主要的研究内容是量子通信、量子计算和量子信息科学。这是继 欧洲核子中心和航天技术的国际合作之后，又一大规模的针对科技重大问题的 国际合作，并且在欧盟第7 框架计划中提高量子信息处理和通信经费资助，以 保证欧洲在这个领域的研究的地位。日本邮政省将把量子信息确定为2 1 世纪国 家的战略项目，以十年的中长期目标进行研究，在第一年的预算为1 5 亿日元。 日本总务省提出了以新一代量子信息通信技术为对象的长期研究战略，计划在 2 0 2 0 年至2 0 3 0 年间，建成绝对安全保密的高速量子信息通信网。 量子信息研究的另一个十分显著的特点是信息产业界投入，例如i b m 、 a t t 、b e l l 实验室、英国电话电报公司、德国西门子公司等都纷纷投入量子信 息的研究之中，这从一个侧面有力地表明量子信息和量子通信将具有广阔的实 际应用前景。 我国在量子通信研究方面，从一开始就受到科技部、国家自然科学基金委 员会、中国科学院等部门的高度重视和积极支持，通过“9 7 3 计划”、“知识创 新工程”等重大项目的实施，已经在量子通信研究方面做出了一批具有国际水 平的成果，相关研究团体在国际上已经占有一定地位。近几年来，中国科学技 术大学、中国科学院物理所、武汉物理与数学研究所、半导体所、清华大学、 华东师范大学、山西大学等单位均已经取得重要的研究进展，特别是中国科学 技术大学在多光子纠缠与操纵、量子态隐形传输、自由空间量子通信和量子密 钥分发等方面，已经取得了一系列世界瞩目的原创性成果，为进一步深入开展 量子通信研究奠定了良好基础。 量子信息论的研究也为量子理论提供了一个全新的视点与生长点，拓展并 深化了量子理论本身。量子信息论的发展很有可能会导致一个新的量子技术的 2 第l 章冷原子量子存储实验简述 时代( 张永德，2 0 0 5 ) 。特别是量子密码领域，离实用化已经很近，可以预见量 子工业很快就要到来。 3 第l 章冷原子量子存储实验简述 1 2 量子存储与量子中继 量子信息论研究的对象是量子态。量子态的纠缠、相干等特性在给人们带 来广阔的应用前景的同时，量子态本身也是非常地脆弱，极易与外界环境耦合 并且退相干。这是量子信息实用化道路上的一个巨大的绊脚石。 例如，在量子保密通讯中，由于退相干，导致成本和难度随通讯距离指数 增加。在目前已有报道的实验室中进行的远程密钥分发实验中，使用光纤作为 传输介质的最远传输距离在1 0 0 公里的量级，这对于实现洲际甚至全球的量子 保密通讯是远远不够的。为了克服光量子信息在传输介质中的损失和退相干， 目前国际上有两个主流研究方向：一种是基于航天器的自由空间和地面站体系， 即通过光量子在太空中几乎无损失的传播和地面光学接收站结合的方案实现全 球的量子通讯；另一种是量子中继器方案，类似于经典通讯中对克服信号损失 采用的信号放大和整形的中间站，这在量子通讯中需要一个重要的器件量 子存储器。同样，在量子计算中，要想达到实际应用，需要多体纠缠和确定性 的量子操作，这就需要考虑系统是否可升级的问题，由于目前多体纠缠一般是 概率性产生，所以随着量子位的增加，计算效率随量子位的个数呈指数急剧下 降，这使得基于概率性纠缠源的量子计算几乎是不可能的。因此，确定性的量 子计算也需要一个重要的器件量子存储器。 量子中继可以由量子纠缠交换和纠缠纯化技术结合量子存储技术来实现。 最近，纠缠交换和纠缠纯化已经利用线性光学从实验上被高精度地证实了。但 因为实现量子存储器的困难，量子中继器的实现还是一个实验挑战。没有量子 存储器，实现量子通讯的成本仍将随通道长度指数增加。2 0 0 1 年，结合线性光 学和原子系综，有人建议了一个实现量子中继器的物理实现方案( d u a ne 芒a _ f 2 0 0 1 ) ，即d l c z 方案。基于这一方案，国际上有多个实验小组先后开展了原子 系综相关的实验研究，如哈佛大学的l u k i n 小组( e i s 砌a np 芒a - 2 0 0 5 ) 、c i t 的k i m b l e 小组( c h o ue 芒a 2 0 0 5 ) 、乔治亚理工学院的k u z m i c h 小组( c h a n e l i e r e p 芒a 2 0 0 5 ) ；中国科大的潘建伟小组也正在与德国海德堡大学的量子光学小 组合作开展有关研究。这方面的研究也已取得了一系列激动人心的进展，包括 实现了两个原子系综之间的纠缠、可控的单光子源、单光子的读出和异地存储、 光子一原子系综纠缠等。其中，一种基于测量反馈( m e a s u r e m e n t _ b a s e d f e e d b a c k ) 机制产生确定性单光子的实验由k u z m i c h 小组( m a t s u k e v i c he fa - 2 0 0 5 ) 以及中国科大的潘建伟小组与海德堡大学的合作研究组( c h e ne 亡a - 2 0 0 5 ) 独立实现。中国科大的潘建伟小组也在实验室中验证了从两团原子系综中产生 4 第l 章冷原子量子存储实验简述 的确定性单光子可以有相干效应，并且高效率的产生了完全独立的两个单光子 的纠缠( y u a np 芒a - 2 0 0 5 ) 。 然而，随后的研究表明，由于这一类d l c z 量子中继器方案存在着诸如纠缠 态对信道长度抖动过于敏感、误码率随信道长度增长过快等严重问题，无法被 用于实际的长程量子通信中。 为了解决上述困难，潘建伟、陈增兵和赵博等在理论上提出了具有存储功 能的，并且对信道长度抖动不敏感、误码率低的高效率量子中继器方案。同时， 中国科大潘建伟研究小组的苑震生、陈宇翱等及其德国、奥地利的同事经过多 年的合作研究，在逐步实现了光子一原子纠缠、光子比特到原子比特的量子隐形 传态等重要阶段性成果的基础上，最终实验实现了完整的“量子中继器”基本 单元，并在国际著名科学期刊自然发表( y u a ne a j 2 0 0 8 ) 。在该工作中， 他们利用冷原子量子存储技术在国际上首次实现了具有存储和读出功能的纠缠 交换，建立了由3 0 0 米光纤连接的两个冷原子系综之间的量子纠缠。这种冷原 子系综之间的量子纠缠可以被读出并转化为光子纠缠以进行进一步的传输和量 子操作。该实验成果完美地实现了长程量子通信中亟需的“量子中继器”，向未 来广域量子通信网络的最终实现迈出了坚实的一步。 5 第1 章冷原子量子存储实验简述 1 3 和量子存储有关的几个热门研究方向 1 3 1热原子池作为存储介质的量子存储 如图1 1 所示，在热原子池中的8 7 r b 原子被用作存储介质。通常可以使用 d 1 激发线( 5 s l 尼专5 p l 2 ) ，图中的三能级1 1 ) ，1 2 ) ，1 3 ) 分别对应能级1 5 s i 2 ，庐1 ) ， j 5 s i 陀，庐2 ，1 5 p i 尼，庐2 ) 。原子首先被一束泵浦光制备到初态1 1 ) 上，之后可以用 一束与能级1 1 ) 专1 3 ) 激发有一定失谐w r i t 。的弱经典光w i t e 激发原子并经过自发 r a n l a l l 散射过程1 1 ) 专1 3 ) 专1 2 ，伴随放出一个s t o k e s 光子，有一个原子被激发到 能级1 2 ) ，此时原子的集体激发态和s t o k e s 光场的量子态可以写成 i 妨= 1 0 如口) + 儿i1s l 口) 切i 2 丑口) + d ( 矿儿) ， 其中z 是激发一个集体态1 1 0 并同时有一个s t o k e s 光子1 1 的概率。当探测 器a p d l 测到一个光子的时候，真空项1 0 如口) 就被去除了。等待需要的存储时间 之后幻后，另外一束光强远大于w r i t e 的弱经典光r e a d 即可以用来读出这个写 入的集体激发，这是一个受激过程，集体激发态被转化成为一个a m i s t o k e s 光 子定向的读出，经过相应的滤波器件后被探测器a p d 2 收集。经过对a p d l 和 a p d 2 的探测事例进行符合测量，可以研究量子存储的寿命t 、读出效率r 和单 光子性仅等重要参数。 使用热原子的介质进行量子存储的优点有：1 ) 环境磁场屏蔽简单，用3 至 6 层的“合金即可以达到很好的磁场屏蔽效果( = l p 作为量予存储过程的基本三能级体系。一个于共振能级 有一定失谐的经典光脉冲n r 被冷原子气体散射，会有自发拉曼散射过程发生， 当我们控制写光光强足够小的情况下，可以做到激发牢z