拉曼放大过程中原子-光场关联参量的测量

近日，香港城市大学讲席教授区泽宇研究团队首次实现了基于原子介质的拉曼放大器的量子噪声抑制，由于原子内部自由度难以操控，该领域此前一直未被探索。我们通过另一拉曼过程使原子与输入的斯托克斯光处于关联状态，从而实现了3.5dB的拉曼放大器噪声抑制。该方案还能在拉曼放大器高增益状态下测量原子与光场的量子关联，首次实现了拉曼过程中原子-光场关联参量

的测量。由于原子的参与，该体系可进一步发展为量子传感器。相关研究成果近日以「Observation of Quantum Noise Reduction in a Raman Amplifier via Quantum Correlation between Atom and Light」为题发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

研究背景

任何放大器都需要耦合其内部自由度以实现能量增益。这种耦合会在放大的信号中引入额外的量子噪声。然而，若能对放大器的内部自由度进行调控（如光学参量放大器），我们就能控制甚至降低放大器输出的量子噪声。但对于以原子作为增益介质的放大器而言，其内部原子自由度通常无法直接操控，因此这类放大器的噪声特性一直未被深入研究，也未能实现噪声的降低。

研究亮点

1. 实现了基于原子介质的拉曼放大器的量子噪声抑制

在本研究中，我们系统研究了基于原子介质的拉曼放大器的量子噪声特性。待测噪声特性的拉曼放大器由W2泵浦驱动，该泵浦场与热Rb87原子系综发生相互作用。通过偏振分束器分离出的输出斯托克斯场S2（其偏振方向与拉曼泵浦场正交）经由平衡零差探测器测量，用以获取拉曼放大器输出的量子噪声强度（如左图所示）。通常情况下，W2所驱动的拉曼放大器的输入场与原子态相互独立。为建立原子与输入场之间的量子关联，我们采用另一拉曼过程（由W1驱动）的输出场S1（该场已与原子形成关联）作为W2所驱动的拉曼放大器的输入（如左图所示），即通过反射镜将其反射重新注入同一原子系综内。我们成功实现了拉曼放大器输出噪声降低接近4dB（如右图所示）。同时发现这种量子噪声测量方案对探测过程中的损耗具有鲁棒性。

2.实现了拉曼过程中原子-光场关联参量 elta^2X _+>的测量

从另一视角来看，由于噪声抑制效果取决于原子与光场之间的量子关联度，该高增益拉曼放大器亦可作为量子关联的测量工具（如左图所示）。通过另一拉曼过程使放大器的内部原子态与输入斯托克斯光场形成量子关联态，待测拉曼放大器输出噪声降低系数为：

其中

当G>>1，可得 λ≈1，即

该式给出了原子自旋波

与斯托克斯光场

之间的量子关联度

其参照基准为无关联的真空态输入的方差2。测量结果如右图所示。

总结与展望

综上所述，我们通过另一拉曼过程使拉曼放大器的内部原子态与输入斯托克斯光场形成量子关联态，成功实现了拉曼放大器输出噪声近4dB的抑制。此外，通过将两级拉曼放大器串联工作并使第二级处于高增益模式，该方案可实现对第一级拉曼过程所产生的量子关联的测量，这标志着拉曼过程中原子-光场关联的首次实验观测。与迄今为止已在理论与实验层面得到充分研究的光学参量放大器相比，本方案具有独特优势：由于采用原子作为放大器增益介质，且原子能与磁场、电场等环境物理量产生强耦合，因此该体系可充当量子传感器。当向系统斯托克斯场注入种子光时，可构建对光学相位和原子相位均敏感的SU(1,1)干涉仪。

香港城市大学物理学院博士后王建民为本工作的第一作者；香港城市大学物理学院2023届博士生朱融为共同第一作者；香港城市大学讲席教授区泽宇为独立通讯作者。该工作得到了香港研究资助局的资助。

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