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光子對光源的製備與單光子在原子量子記憶體下的量子儲存

為了解決Good Lock APK的問題，作者蔡秉儒 這樣論述：

光子對光源在長距離量子通訊中扮演重要角色，一方面是由於光子利用光速進行資訊傳遞；另外，光子對中兩個光子之間強烈的量子關聯也讓光子對光源具備能夠利用這種性質將量子資訊分發到不同的位置同時保有絕對的安全性。然而，在長距離的量子通訊中，由於用於導引光子的光纖存在著有限的耗損，這使得量子通訊距離受到限制。為了解決這個問題，量子中繼站的概念被提出。通過量子中繼站的協定，在光子所攜帶的量子資訊以及量子糾纏變得微弱或是模糊之前，中繼站將量子糾纏轉移到另一組光子對使得量子資訊之傳遞距離得以延伸，通過數個中繼站所建構的網路，量子通訊的距離可以被有效的提升並實現長距離的量子通訊。在量子中繼站中，一個重要的過程是

將抵達中繼站的光子暫存至量子記憶體中，用於同步另一組預備執行量子糾纏轉換的光子。正因如此，藉由量子記憶體去執行對單光子的量子儲存會是實現長距離量子通訊的重要里程碑。一種常見的量子儲存方法是基於冷原子的平台下所建立的電磁波誘發透明機制，電磁波誘發透明機制藉由一道強的控制光場將待儲存的光場量子態轉換到原子的基態相干性中並儲存在原子介質中，在經過一段儲存時間後，重新開啟控制光後，光場的量子態可以重新從原子系統被重建回來。不過由於此量子記憶體是基於一個原子系統所建立的，這使得待儲存的光源之線寬以及頻率被強烈限制。另一方面，非線性晶體中自發性參量下轉換是一種常見且實用的方法用於製備非古典光源如光子對的非

線性過程。在這個過程中，一個高頻率的光子被轉換為一對時間－頻率糾纏的光子對。另外，其中製造的閒置光子也同時能夠用於通知光子對中另一個信號光子的產生，因此這個光子源也被稱為預示單光子源。然而，自發性參量下轉換所產生的光子對之頻寬通常遠大於原子線寬的等級，也因此大大的降低的光與原子的交互作用進而增加對單光子儲存的困難度。在這個工作中，我們克服了上述所提到的困難並利用原子量子記憶體實現了對固態晶體的光子源之量子儲存。這篇博士論文中主要被分為兩個主題，首先，為了克服自發性參數下轉換的高線寬問題，我們採用共振腔增強形式自發性參數下轉換以建構一個窄線寬﹑單模且非簡併的光子對光源。為了維持系統穩定，我們發展

了一套分時多工的鎖定機制將系統維持在最佳狀態，並同時將產生的光子對之頻率鎖定在原子躍遷中。由於鎖定機制的穩定性，這使得光子源的產生率被大大的提升，同時也讓此光源成為一個非常適合運用在原子系統的量子光源。在這光子源中，我們分別得到了7.24x10^5 和 6142 s^-1 mW^-1 的光子對產生率及計數率，所製備的光子對之關聯時間為21.6(2.2)奈秒，對應的頻寬為2πx6.6(6) MHz。根據以上的數據，我們估計光子對光源的光譜亮度為1.06x10^5 s^-1 mW^-1 MHz^-1，這個數值對於一個單模運作的光子對光源而言是一個相對高的數值。完成了光子對的製備後，在實驗的下一個階

段中，我們進一步將產生的非古典光源送往原子系統量子記憶體。在這個實驗中，我們利用基於電磁波誘發透明機制的量子記憶體實現了對共振腔增強型式光子源所產生的光子對的量子儲存以及操控。首先，為了確保光子源與原子系統之間的相容性，我們測試了一系列的慢光實驗並估計其量子保真度，結果顯示理論與實驗的良好吻合。在驗證了光子源與量子記憶體的相容性後，我們進一步執行了對預示單光子的量子儲存與操控，根據不同的儲存與操控條件，光子對的時間關聯性或是波形能夠被量子記憶體控制。這個操控過程不只是能夠操控光子對的古典性質，如頻寬與群速度。另一方面，操控過程也同時能夠提升讀取光子的非古典關聯和量子保真度。在量子記憶體系統中，

我們得到了大約40%的儲存效率以及g^(2)s,i=5.87的非古典關聯。另外，藉由操控過程，我們可以將非古典關聯進一步被提升至g^(2)s,i=7.5，同時量子保真度也能被有效的提升到該條件的最大上限。由於我們所製備的光子源是基於共振腔型式的固態晶體以及其單模運作的特性，這些性質使得系統的複雜性被大大的簡化。此外，我們也演示了利用原子量子記憶體儲存與操控光子對特性，這些結果一方面顯示了光子源的良好性能，另一方面也實現了原子系統與固態光源系統的連結。這個工作為原子記憶體系統提供了一個緊緻的非古典光源解決方案，此光源的架設也能簡易的被擴展到長距離以及大尺度的量子通訊系統，我們相信這些工作將對量子

通訊領域有所幫助，尤其是量子中繼站的實現。