拉曼放大過程中原子-光場關聯參量的測量

近日，香港城市大學講席教授區澤宇研究團隊首次實現了基于原子介質的拉曼放大器的量子噪聲抑制，由于原子內部自由度難以操控，該領域此前一直未被探索。我們通過另一拉曼過程使原子與輸入的斯托克斯光處于關聯狀態，從而實現了3.5dB的拉曼放大器噪聲抑制。該方案還能在拉曼放大器高增益狀態下測量原子與光場的量子關聯，首次實現了拉曼過程中原子-光場關聯參量

的測量。由于原子的參與，該體系可進一步發展為量子傳感器。相關研究成果近日以「Observation of Quantum Noise Reduction in a Raman Amplifier via Quantum Correlation between Atom and Light」為題發表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）。

研究背景

任何放大器都需要耦合其內部自由度以實現能量增益。這種耦合會在放大的信號中引入額外的量子噪聲。然而，若能對放大器的內部自由度進行調控（如光學參量放大器），我們就能控制甚至降低放大器輸出的量子噪聲。但對于以原子作為增益介質的放大器而言，其內部原子自由度通常無法直接操控，因此這類放大器的噪聲特性一直未被深入研究，也未能實現噪聲的降低。

研究亮點

1. 實現了基于原子介質的拉曼放大器的量子噪聲抑制

在本研究中，我們系統研究了基于原子介質的拉曼放大器的量子噪聲特性。待測噪聲特性的拉曼放大器由W2泵浦驅動，該泵浦場與熱Rb87原子系綜發生相互作用。通過偏振分束器分離出的輸出斯托克斯場S2（其偏振方向與拉曼泵浦場正交）經由平衡零差探測器測量，用以獲取拉曼放大器輸出的量子噪聲強度（如左圖所示）。通常情況下，W2所驅動的拉曼放大器的輸入場與原子態相互獨立。為建立原子與輸入場之間的量子關聯，我們采用另一拉曼過程（由W1驅動）的輸出場S1（該場已與原子形成關聯）作為W2所驅動的拉曼放大器的輸入（如左圖所示），即通過反射鏡將其反射重新注入同一原子系綜內。我們成功實現了拉曼放大器輸出噪聲降低接近4dB（如右圖所示）。同時發現這種量子噪聲測量方案對探測過程中的損耗具有魯棒性。

2.實現了拉曼過程中原子-光場關聯參量 elta^2X _+>的測量

從另一視角來看，由于噪聲抑制效果取決于原子與光場之間的量子關聯度，該高增益拉曼放大器亦可作為量子關聯的測量工具（如左圖所示）。通過另一拉曼過程使放大器的內部原子態與輸入斯托克斯光場形成量子關聯態，待測拉曼放大器輸出噪聲降低系數為：

其中

當G>>1，可得 λ≈1，即

該式給出了原子自旋波

與斯托克斯光場

之間的量子關聯度

其參照基準為無關聯的真空態輸入的方差2。測量結果如右圖所示。

總結與展望

綜上所述，我們通過另一拉曼過程使拉曼放大器的內部原子態與輸入斯托克斯光場形成量子關聯態，成功實現了拉曼放大器輸出噪聲近4dB的抑制。此外，通過將兩級拉曼放大器串聯工作并使第二級處于高增益模式，該方案可實現對第一級拉曼過程所產生的量子關聯的測量，這標志著拉曼過程中原子-光場關聯的首次實驗觀測。與迄今為止已在理論與實驗層面得到充分研究的光學參量放大器相比，本方案具有獨特優勢：由于采用原子作為放大器增益介質，且原子能與磁場、電場等環境物理量產生強耦合，因此該體系可充當量子傳感器。當向系統斯托克斯場注入種子光時，可構建對光學相位和原子相位均敏感的SU(1,1)干涉儀。

香港城市大學物理學院博士后王建民為本工作的第一作者；香港城市大學物理學院2023屆博士生朱融為共同第一作者；香港城市大學講席教授區澤宇為獨立通訊作者。該工作得到了香港研究資助局的資助。

DOI: https://doi.org/10.1103/425s-ydl9