【摘要】：光子與物質系統互相作用是構建基于量子中繼的長距離量子網路的基本要求,這些量子網路可以克服光子傳輸過程中隨著距離降低訊號指數衰減的問題,因而降低糾纏分發的距離。由于長的相干時間和寬的儲存帶寬,固態的稀土參雜晶體成為能可靠儲存光子的量子儲存器。研究這些固態量子儲存的工作包括發展適用于儲存晶體的量子光源和提高量子儲存器性質等。在這篇論文中,我們研究了兩種分別適用于Nd~(3+):YVO_4和Pr~(3+):儲存晶體的量子光源,據悉我們還探求了提高Pr~(3+):晶體載流子波儲存效率的辦法。本文的主要內容包括:1.我們第一次發覺了在帶寬受限時,自發熱阻下轉換形成光子軌道角動量高維糾纏過程中會出現相位匹配的問題。這些相位匹配問題是因為拉蓋爾高斯模式的空間發散引發的。我們通過追蹤拉蓋爾高斯模式的空間發散設計了一種年輪型的準相位匹配晶體。借助這些晶體可以提高窄帶的軌道角動量糾纏的維度和糾纏態的質量。這些糾纏可以被儲存到Nd~(3+):YVO4晶體中量子傳輸速率量子傳輸速率,也可以在未來基于高維糾纏的網路中發揮作用。2.我們搭建了一套基于腔提高熱阻下轉換的超窄帶量子光源。這些超窄帶非簡并光子對的線寬大概為2MHz,其中閑置光子波長為c-波段通信窗口光子,訊號光子波長為606nm,適用于Pr~(3+):晶體量子儲存。據悉,我們還實現了通信波段預報的加載軌道角動量量子比特的單光子儲存。3.我們在原子頻度梳儲存方案中實現了第一個反向讀出訊號的實驗,實驗使用的儲存晶體Pr~(3+):晶體。這些方案原則上可以解決正向讀出時訊號重復吸收的問題。反向的訊號讀出是借助一對空間上方向相反的控制光脈沖來實現的。我們還在固態體系中驗證了時間-反轉循環優化輸入脈沖波形的操作,觀察到了脈沖波形優化帶來的儲存效率的提高。
