为何使用原子系综产生光量子态？华东师范大学荆杰泰教授解读 | Photonics Insights综述

产生光量子态的方式很多，例如非线性晶体、量子点和原子系综等。和其他系统一样，原子系综体系也具有其独特优势。首先，这一系统由于使用原子系综直接产生量子态光场，因此其产生的量子态光场与原子跃迁可以达到频率和带宽的自然匹配。其次，这一系统由于使用了原子系综的原子相干特性，增强了系统的非线性相互作用强度，导致该系统无需使用光学腔即可产生具有较强压缩度以及纠缠度的量子态光场，从而避免了光学腔导致的光场空间模式限制，确保了系统的空间多模特性。

基于以上优势，研究人员发现原子系综体系是产生光量子态的有前景的方式。近日，华东师范大学荆杰泰教授应邀在Photonics Insights  2022年第2期发表长篇综述文章“Optical quantum states based on hot atomic ensembles and their applications”，系统介绍了基于原子系综产生光量子态及其应用的最新进展。

由于原子系综四波混频过程无光学腔限制，因此可用于产生空间分离的多光束量子关联。通过在一个原子池中空间复用多个四波混频过程，可以使通过级联多个原子池的方式产生量子关联光束数量随着原子池数量呈指数型（2ⁿ，其中n是原子池的数量）增加。目前实验上已通过级联两个原子池的方法产生了4模量子关联。同时利用空间结构泵浦光场也可以实现空间复用的四波混频。基于双泵浦结构已实现了6模量子纠缠（图1c）以及14模量子关联。为进一步提升量子网络的规模，通过光学轨道角动量复用技术已实现了66模的量子纠缠网络（图1d）。

基于原子系综产生光量子态的体系仍在不断发展并寻找新的应用。例如，将光场多个自由度（例如时间和频率）引入该体系可以产生大规模的光量子态。随着光场量子态规模的增加，基于原子系综的四波混频过程将用于构建大规模量子纠缠网络以及实现分布式多参数多通道的量子精密测量。总的来说，热原子系综未来将在实现远距离量子网络以及高精度量子传感中发挥重要作用。

主要研究方向：量子光学、量子信息

荆杰泰，华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室教授，博士生导师；国家杰出青年科学基金获得者，上海市优秀学术带头人，东方学者，曙光学者以及浦江人才；目前主要从事量子光学与量子信息方面的实验与理论研究，尤其聚焦量子光源的制备与应用；先后主持国家基金委重大研究计划重点项目和上海市教委科研创新计划自然科学重大项目等；近五年发表通讯作者论文50余篇，包括Physical Review Letters 10篇, Nature Communications、Optica及PNAS各1篇；培养学生3人次获中国光学学会王大珩高校学生光学奖，1人次获饶毓泰基础光学奖，1人次获中国光学学会郭光灿光学优秀博士学位论文。