近日，香港城市大學(xué)講席教授區(qū)澤宇研究團隊首次實現(xiàn)了基于原子介質(zhì)的拉曼放大器的量子噪聲抑制，由于原子內(nèi)部自由度難以操控，該領(lǐng)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(guān)聯(lián)狀態(tài)，從而實現(xiàn)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(tài)下測量原子與光場的量子關(guān)聯(lián)，首次實現(xiàn)了拉曼過程中原子-光場關(guān)聯(lián)參量

的測量。由于原子的參與，該體系可進(jìn)一步發(fā)展為量子傳感器。相關(guān)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(fā)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(nèi)部自由度以實現(xiàn)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(nèi)部自由度進(jìn)行調(diào)控（如光學(xué)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(zhì)的放大器而言，其內(nèi)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(xiàn)噪聲的降低。

研究亮點

1. 實現(xiàn)了基于原子介質(zhì)的拉曼放大器的量子噪聲抑制

在本研究中，我們系統(tǒng)研究了基于原子介質(zhì)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(qū)動，該泵浦場與熱Rb87原子系綜發(fā)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(jīng)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(qū)動的拉曼放大器的輸入場與原子態(tài)相互獨立。為建立原子與輸入場之間的量子關(guān)聯(lián)，我們采用另一拉曼過程（由W1驅(qū)動）的輸出場S1（該場已與原子形成關(guān)聯(lián)）作為W2所驅(qū)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(nèi)。我們成功實現(xiàn)了拉曼放大器輸出噪聲降低接近4dB（如右圖所示）。同時發(fā)現(xiàn)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(xiàn)了拉曼過程中原子-光場關(guān)聯(lián)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(guān)聯(lián)度，該高增益拉曼放大器亦可作為量子關(guān)聯(lián)的測量工具（如左圖所示）。通過另一拉曼過程使放大器的內(nèi)部原子態(tài)與輸入斯托克斯光場形成量子關(guān)聯(lián)態(tài)，待測拉曼放大器輸出噪聲降低系數(shù)為：

其中

當(dāng)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(guān)聯(lián)度

其參照基準(zhǔn)為無關(guān)聯(lián)的真空態(tài)輸入的方差2。測量結(jié)果如右圖所示。

總結(jié)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(nèi)部原子態(tài)與輸入斯托克斯光場形成量子關(guān)聯(lián)態(tài)，成功實現(xiàn)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(lián)工作并使第二級處于高增益模式，該方案可實現(xiàn)對第一級拉曼過程所產(chǎn)生的量子關(guān)聯(lián)的測量，這標(biāo)志著拉曼過程中原子-光場關(guān)聯(lián)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(xué)參量放大器相比，本方案具有獨特優(yōu)勢：由于采用原子作為放大器增益介質(zhì)，且原子能與磁場、電場等環(huán)境物理量產(chǎn)生強耦合，因此該體系可充當(dāng)量子傳感器。當(dāng)向系統(tǒng)斯托克斯場注入種子光時，可構(gòu)建對光學(xué)相位和原子相位均敏感的SU(1,1)干涉儀。

香港城市大學(xué)物理學(xué)院博士后王建民為本工作的第一作者；香港城市大學(xué)物理學(xué)院2023屆博士生朱融為共同第一作者；香港城市大學(xué)講席教授區(qū)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