级联与菱形型原子系综中光与物质相互作用理论

在本论文中，我们研究光与物质（以超冷原子气体即原子系综的形式）的量子力学相互作用。我们对两个问题进行了理论分析，这两个问题涉及量子化电磁场（称为信号光和闲频光）与原子系综的相互作用：(i) 原子梯形构型中的级联双光子发射，以及 (ii) 原子菱形构型中的光子频率转换。这些研究的动机来源于长距离量子通信中的潜在应用，其中希望在电信波长光场与基态原子相干之间产生量子关联。我们发展了关联信号-闲频光对关联的理论。由于原子系综中可能产生多个激发，分析变得复杂。在假设绝热激光激发的单激发极限下给出了解析处理。分析预测了闲频光发射中的超辐射时间尺度，与实验观测一致。为了放宽单激发的限制，我们发展了不同的级联发射理论，利用开放量子系统理论通过经典随机微分方程的数值模拟来求解。模拟结果与超辐射时间尺度的解析理论在定性上吻合良好。我们提供了菱形构型中近红外到电信波长转换的量子理论。该系统提供了量子中继器存储单元的关键部分，使得“存储的”近红外光子能够转换为电信波长进行传输，而不破坏光与原子间的量子关联。