电路量子电动力学：光与物质相互作用

发布时间：2021-01-24 14:13

　　光与物质相互作用是自然界中基本的物理过程之一,而单个二能级系统与一个波色模相耦合,是最简单的光与物质相互作用模型。对该物理模型的理论研究和实验研究加深了人们对量子力学的理解。作为该模型的物理实现,腔量子电动力学（Cavity Quantum Electrodynamics,CQED）主要研究自然原子和腔光场之间的相互作用。经过数十年的实验研究,CQED系统已被证明是一个研究量子光学和量子信息处理的理想实验平台。此外随着对量子世界不断深入的理解,实验技术条件的不断发展以及与不同学科的交叉（如低温物理学,超导,微波工程,凝聚态物理等）,人们认识到了将量子相干性作为新的资源带入“现实世界”的可能性,例如通过控制光与物质的相互作用来实现对量子信息的编码,操控和读取（即量子信息处理）。而作为固态版本的CQED系统,电路量子电动力学（Circuit QED）系统作为实现量子信息处理的可能系统引起人们的广泛关注,该系统凭借其灵活的可操作性以及可扩展性已成为最有希望实现量子计算机的物理系统之一。在研究新的量子技术方案的背景下,本文主要探究了电路量子电动力学系统中新的光与人工原子间的有效相互作用的机制,... 

【文章来源】：南京大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：128 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图１．３：腔量子电动力学系统的示意图［９８］

??的光学微腔中来实现光子与原子的强耦合（如图１．３所示）。其能够实现光与原??子强耦合原理主要是，一方面腔的波色模的真空涨落分布受到腔的边界条件限??制（即，减小了模式体积），从而增强了真空场强度。我们可以这样考虑：一??般单个原子与一个腔模式的耦合可以看作是原子作为一个电偶极子（电偶极距??为ｐ?＝?其中ｇ为电荷量，；为正负电荷间的距离）与腔内频率为的模式的真??空电场（五〇为腔内原子位置处的电场强度）之间的相互作用，即５＝７＾０。根据??光场的量子理论，真空零点能为心ｃ／２，则其中电场的能量为［１５，?９６］??＾?１１?Ｅ２ｄＶ?＝?ＥｊＥ２０Ｖ，?（１．６）??其中ｅｏ为真空极化率，■＾为模式体积。由上式我们可以得到真空电场强度与模??式体积的关系??／?Ｊｔｉｏｃ?ＩｆｋｏｃＺｖａｃｃ?（＼?ｉ＼??Ｅ〇?＝?Ｖ＾?＝?Ｖ－＾）?（?７）??这里忍ａｅ?？?３７７ｆ２

界的耦合的大小由两端的电容大小决定。《表示超导共面波导谐振腔内的光子损耗速率，??７１和７＜分别表示超导量子比特的能量弛豫速率和纯退相位速率。??子比特［１２６］等（如图１．５所示）。在本世纪初，在这些系统中相继观测到了宏观??量子现象（如拉比震荡［１２７－１２９Ｐ以及完成了基本的量子操控（如单量子比特??门，两量子比特门［１３０］）。这些实验研宄引发了之后的基于超导量子电路系统??的量子信息处理新方案和量子光学的理论研究［［３１，１３２］。此外，这些研究为之??后的电路量子电动力学的建立提供了思路，指引了发展的方向。??１．３．２超导电路中的腔量子电动力学：电路量子电动力学??如上一子章节所述，超导量子电路可以作为人工原子来研宄宏观量子现??象。以腔量子电动力学的概念和方法来研宄超导量子电路中电动力学，人们引??入了电路量子电动力学的框架。如图１．６所示，在电路量子电动力学系统内，超??导量子比特作为人工原子可以具有很大的有效电偶极距，可以到达自然原子??的１０到１００００倍的量级


本文编号：2997387