北京大学：《量子光学》课程教学课件（讲稿）原⼦系综中量⼦相⼲及其应用 Quantum interferences and their applications in the coherently prepared atomic medium

原子系综中量子相千及其应用Quantum interferencesandtheirapplicationsinthe coherentlypreparedatomic medium古英一量子光学中光和物质相互作用的研究进展和前沿一二能级、三能级和四能级中基本相千现象一基于微纳结构附近的量子相干一核心是电磁感应透明及其应用一量子相干的相关侧面，未涵盖全部研究成果

原⼦系综中量⼦相⼲及其应用 Quantum interferences and their applications in the coherently prepared atomic medium 古 英 －量⼦光学中光和物质相互作用的研究进展和前沿 － ⼆能级、三能级和四能级中基本相⼲现象 － 基于微纳结构附近的量⼦相⼲ － 核⼼是电磁感应透明及其应用 － 量⼦相⼲的相关侧面，未涵盖全部研究成果

内容包括：一、二能级原子的相干性质二、三能级原子的相干性质三、四能级原子的相干性质四、微纳结构附近的量子相干性质五、非线性量子光学六、原子系综中的量子信息过程3

3 内容包括： 一、二能级原子的相干性质 二、三能级原子的相干性质 三、四能级原子的相干性质 四、微纳结构附近的量子相干性质 五、非线性量子光学 六、原子系综中的量子信息过程

Rabioscillations andCollapse-revival phenomenonJ-C model:two-levelatomSingle-modefield(b)SCTFQT0.80.80.60.60.40.40.20.2W(t)OW(t)0.2-0.2-0.4-0.4-0.60.60.80.8：50354045102025301503A6101214161820gtQrtContributors:E.T.Jaynes.F.W.Cummings,B.R.Mollow.G.D.Boyd

4 Rabi oscillations and Collapse-revival phenomenon J-C model: two-level atom + Single-mode field SCT FQT Contributors: E.T.Jaynes,F.W.Cummings, B.R.Mollow,G.D.Boyd

MollowabsorptionandFwM signalCouplingRabifrequency:Vc DecayrateILAVc>>T:saturation effectsVc>> T: Mollow absorption(IA)(m)Vc> I: Start to emissonrWriCVLIO9tulVc >I: three-peaked absoprtionVc<<I:single-peaked absorption(0)IPO.12CStrong FwM signal,two and three-peaked0.09Structure Resonantemission in dressed0.06picture0.035Maincontributors:B.R.Mollow and G.D.Boyd-8t

Mollow absorption and FWM signal Main contributors: B.R.Mollow and G.D.Boyd Coupling Rabi frequency: Vc Decay rate G Vc >> G: saturation effects Vc >> G: Mollow absorption Vc > G: Start to emisson Vc > G: three-peaked absoprtion Vc <<G: single-peaked absorption Strong FWM signal, two and three-peaked Structure Resonant emission in dressed picture 5

Resonance fluorescence1022nok2g()=2元α/28(v—w)2'4(-w)2+so21+号22AW-2)2+21for32>V-@+2)2十g2Q=3KW/KFiG.1.Spectraldensityg()foratwo-levelatomdriven exactly on resonance.PowerSpectrumofLightScatteredbyTwo-LevelSystems.Phys.Rev.188,1969-1975(1969)6

6 Resonance fluorescence Power Spectrum of Light Scattered by Two-Level Systems, Phys. Rev. 188, 1969–1975 (1969)

特殊lens聚焦的单分子共振荧光1.00.8S=552=95MHz1.0S-640.8Q2=109MHZ1.0S=74o0.8Q=117MHZ20-200-100100200-2000Delaytimet(ns)Frequency (MHz)500mmEfficientcouplingofphotonstoasinglemoleculeandtheobservationofitsresonancefluorescence,G.WRiGGEetal,naturephysics,4,60(2008)

7 特殊lens聚焦的单分⼦共振荧光 Efficient coupling of photons to a single molecule and the observation of its resonance fluorescence , G. WRIGGE et al, nature physics , 4, 60 ( 2008 )

基于表面等离激元结构的单分子共振荧光(a)520540560580600620640fcWavelangth (nm)(c)oniestnuct0.250.201>0.15590mm0.1020.050.00400800400Frequency (MHz)用纳米银条结构的表面等离激元共振波长去激发近场区域的二能级分子，当近场增益远超过偶极子的弛豫增大时，会发生三峰结构和光子反聚束现象，即共振荧光。SPR结构为研究量子效应提供了新工具。ResonanceFluorescenceof SingleMoleculesAssistedbyaPlasmonStructure8Ying Gu, Lina Huang,Olivier J.F.Martin,and Qihuang Gong,Phys.Rev.B, 81, 193103 (2010)

8 基于表面等离激元结构的单分⼦共振荧光 用纳米银条结构的表面等离激元共振波长去激发近场区域的⼆能级分 ⼦，当近场增益远超过偶极⼦的弛豫增⼤时，会发⽣三峰结构和光⼦ 反聚束现象，即共振荧光。SPR结构为研究量⼦效应提供了新⼯具。 Resonance Fluorescence of Single Molecules Assisted by a Plasmon Structure Ying Gu, Lina Huang, Olivier J.F. Martin, and Qihuang Gong, Phys. Rev. B, 81, 193103 (2010)

提出局域表面等离激元结构调控量子比特纠缠量子纠缠是量子计算、隐形传态、量子通信的基础，实现芯片上量子信息是未来发展的重要方向目的：利用表面等离激元局域性质增强量子比特纠缠研究失谐对于稳态纠缠的影响。我们的方案：量子点一金属球-量子点结构；利用量子点与金属球之间的反馈作用。9

提出局域表面等离激元结构调控量子比特纠缠 量子纠缠是量子计算、隐形传态、量子通信的基础， 实现芯片上量子信息是未来发展的重要方向 我们的方案： 量子点-金属球-量子点结构； 利用量子点与金属球之间的反馈作用。 目的： 利用表面等离激元局域性质增强量子比特纠缠； 研究失谐对于稳态纠缠的影响。 9

Concurrence结果：C(p)=max[入/1 -入/2 -入/3 -入14,0)金属球结构可以有效增强纠缠（1-3R=20nm(b) r.=15nm个数量级）；R=25nm-R=30nm量子点-金属球-量子点结构中失谐0.1C存在有效增强纠缠（达到5.3倍）。0.011E-3-20-1001020(o0/0.4意义：4=0A,=0.54,=40.3=5y有利于实现高效稳态纠缠：—=200.2体积小，有利于实现芯片上量子信0.1息功能。0.0-30015-1530(0-0)/Fan Zhang,DongxingZhao,YingGu*,HongyiChen,and QihuangGong.Detuning-enhancedtwo-qubitentanglementmediatedbylocalizedsurfaceplasmons,JAP2017

结果： 金属球结构可以有效增强纠缠(1-3 个数量级)； 量子点-金属球-量子点结构中失谐 存在有效增强纠缠(达到5.3倍)。 意义： 有利于实现高效稳态纠缠； 体积小，有利于实现芯片上量子信 息功能。 -20 -10 0 10 20 1E-3 0.01 0.1 1 R1 = 20 nm R1 = 25 nm R1 = 30 nm (b) C (w - w0 ) / g r m = 15 nm -30 -15 0 15 30 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 C (w - w0 ) / g D = 0 D = 5g D = 20g D1 = -0.5D2 = D Fan Zhang, Dongxing Zhao, Ying Gu*,Hongyi Chen, and Qihuang Gong. Detuning-enhanced two-qubit entanglement mediated by localized surface plasmons. JAP, 2017

逝波调控金属球一量子发射体结构纠缠1.单光子水平更大增强耦合的光与物质相互作用集成量子芯片修逝场代替平对纠缠要求面波调控金属球一量子发射体结构纠缠2.有效的激发和传纳米光子结构导信息M(V/m)45N1ETDielectricnanowire0.0AgNPEmitter2Emitteri3754004254502(nm)9291ImEbw02Em2 (V/m)R1R20FanZhang,YingGu et al.J.Phys.:Condens.Matter30305302(2018)

倏逝波调控金属球-量子发射体结构纠缠 集成量子芯片 对纠缠要求 1. 单光子水平更大 的光与物质相互作用 2. 有效的激发和传 导信息 增强耦合 纳米光子结构 倏逝场代替平 面波调控金属 球-量子发射 体结构纠缠 Fan Zhang, Ying Gu et al. J. Phys.: Condens. Matter 30 305302 (2018)