具有手征特性的光—原子耦合体系中量子性质的研究
发布时间：2021-04-01 23:04
近来,具有手征性光-物质耦合作用体系量子特性的研究引起了研究者们的广泛关注。这是因为:（1）该研究可以加深人们对光-物质相互作用的理解。（2）可以通过手征性耦合来调控分子或者原子。（3）构建具有手征性的的开放性量子网络。基于此基础,文章研究了具有手征性原子-光物质耦合体系的量子特性。首先,我们研究了一个含有简并参量下转换的光腔和一个二能级原子构成的杂合系统,且二者均与一个共同的一维光子波导发生单向性耦合。将一维光子波导中的光子模式视为白噪声热库,当腔-原子系统与波导发生弱耦合相互作用时,利用波恩-马尔科夫近似可以得到腔-原子体系满足的主方程。当激光驱动场非常微弱时,可以将光子的Fock态截断在有限的希尔伯特空间,并由此得到了系统演化到退相干-自由子空间的条件,同时,也给出了产生暗态的条件,并且发现系统通过两个不同的路径可以退化到一个纯的暗态。之后利用数值计算求解主方程,获得了与解析解一致的结果。其次,我们讨论了具有手征性耦合的腔-原子体系中原子的荧光光谱性质。考虑由激光驱动非简并的三能级级联型原子与双模光腔体系,光腔包含一个非简并下转换（NOPO）,且原子与腔通过一维光波导形成单向耦合...
【文章来源】：华中师范大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：100 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２在光子纳米结构中定向耦合的示例：（ａ）图表示的是两个方向相反的圆形极化偶极子经过??自发辐射衰减到光子晶体波导中不同的方向
在电介质纳米结构［４２，?６４，?６５，?６７，７２］或者等离子体纳米结构［６８－７１］中，将经??典发射器［６８－７４］或者量子发射器［４２，?６４，?６５，?７５］与束缚光场相耦合时，可以观察到定??向耦合现象。如图１．２所示。人们还评估了在光子晶体波导中，缺陷的存在对定向耦合??位置的稳定性的影响［７５，７６］，结果表明，定向耦合的位置在这类系统的分布具有较好??的稳定性。文献［４２］中的实验结果表明，在经过特殊设计的光子晶体波导中，量子发射??器的光学跃迁的螺旋性决定了在波导中单光子发射的方向。在所有发射的光子都耦合??到波导的条件下，超过９０％的单光子在波导中具有单一方向性。??１．３．２里德堡原子或者离子拼构建的手征性量子网络??手征性量子网络不仅可以通过将原子与光子波导中的光子耦合来实现，其他能够??替代光子波导作为量子通道．的方案也相继提出。图１．３．（ｂ）中是将原子与一个一维自旋链??中的磁振子耦合的系统，该一维自旋链是由（碱金属）里德堡原子阵列构成，可以通??过光晶格［７７，?７８］、光镊［７９，?８０］或者磁阱［８１，８２］来实现。利用偶极－偶极相互作用中固??有的轨道－自旋特性可以实现原子与磁振子之间的手征性相互作用［８３－８５］。??图１．３．（ｃ）则是原子与一维声子波导中的声子耦合的系统。该声子波导实际是由离??子阱排列而成，且每个离子阱是一个二能级系统。与之前方案不同的是，在这个体系??６??
应；ｔｅ?＝?±７Ｔ／２。红色线表示的是耦合强度卯。??对于里德堡原子Ｓ?＝?１／２，对于离子ｓ?＝?０。式子中的存在使得在Ａ；处出现非??堆成的耦合现象。如图１．４所示ａ?＜?０表示向右传播，＞?０表示向左传播），??在扣＝＜２处，向右传播的模式比向左传播的模式具有更大的耦合。这就意味着形成了??单向性耦合。??同时也有其他更灵活的耦合方案被提出，比如将二能级系统通过其它途径间接地??和波导耦合起来。如图ａ所示，二能级系统与一个光腔耦合，而腔的输出端与一个循环??器或者其它非互交型器件连接。在坏腔极限下（ｋ》．＜７），一组这样的量子位节点通过??波导可以构成单向量子网络。此时有效的二能级系统到波导的衰减率为７?＝?２ｐ２／／ｃ，其??中３是二能级系统－腔的耦合系数。另外一种是可以在电路谐振腔环境中实现这种单向??设计，如图ｂ所示。或者运用光力传感器系统也可以来实现这种单向耦合，如图ｃ所示??的。??（ａ）?°＾ｌ?（ｂ）?｛Ｃ）?ｊｎ＾??＝＝＼〇／：＝?ｄｈＦ?—卜憙卜?ｗ－－今．＝??｛?ｃｈａｒｇｅ?ｑＵｂｉｔＶ?＼?ａｌ??＾６?＾Ｌ／ｃａｖｉｔｙ??＼?１?Ｉ?Ｌｊ?＇?ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ?ｍ?ｓｐｉｎ??＼?—?）?■?ｒｅｓｏｎａｔｏｒ?ｑｕｂｉｔ??图１．５?其他可以实现级联型量子网络的物理实体：（ａ）将腔与循环器连接，（ｂ）非交互性超导电路上??的单向调节
本文编号：3114118
【文章来源】：华中师范大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：100 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２在光子纳米结构中定向耦合的示例：（ａ）图表示的是两个方向相反的圆形极化偶极子经过??自发辐射衰减到光子晶体波导中不同的方向
在电介质纳米结构［４２，?６４，?６５，?６７，７２］或者等离子体纳米结构［６８－７１］中，将经??典发射器［６８－７４］或者量子发射器［４２，?６４，?６５，?７５］与束缚光场相耦合时，可以观察到定??向耦合现象。如图１．２所示。人们还评估了在光子晶体波导中，缺陷的存在对定向耦合??位置的稳定性的影响［７５，７６］，结果表明，定向耦合的位置在这类系统的分布具有较好??的稳定性。文献［４２］中的实验结果表明，在经过特殊设计的光子晶体波导中，量子发射??器的光学跃迁的螺旋性决定了在波导中单光子发射的方向。在所有发射的光子都耦合??到波导的条件下，超过９０％的单光子在波导中具有单一方向性。??１．３．２里德堡原子或者离子拼构建的手征性量子网络??手征性量子网络不仅可以通过将原子与光子波导中的光子耦合来实现，其他能够??替代光子波导作为量子通道．的方案也相继提出。图１．３．（ｂ）中是将原子与一个一维自旋链??中的磁振子耦合的系统，该一维自旋链是由（碱金属）里德堡原子阵列构成，可以通??过光晶格［７７，?７８］、光镊［７９，?８０］或者磁阱［８１，８２］来实现。利用偶极－偶极相互作用中固??有的轨道－自旋特性可以实现原子与磁振子之间的手征性相互作用［８３－８５］。??图１．３．（ｃ）则是原子与一维声子波导中的声子耦合的系统。该声子波导实际是由离??子阱排列而成，且每个离子阱是一个二能级系统。与之前方案不同的是，在这个体系??６??
应；ｔｅ?＝?±７Ｔ／２。红色线表示的是耦合强度卯。??对于里德堡原子Ｓ?＝?１／２，对于离子ｓ?＝?０。式子中的存在使得在Ａ；处出现非??堆成的耦合现象。如图１．４所示ａ?＜?０表示向右传播，＞?０表示向左传播），??在扣＝＜２处，向右传播的模式比向左传播的模式具有更大的耦合。这就意味着形成了??单向性耦合。??同时也有其他更灵活的耦合方案被提出，比如将二能级系统通过其它途径间接地??和波导耦合起来。如图ａ所示，二能级系统与一个光腔耦合，而腔的输出端与一个循环??器或者其它非互交型器件连接。在坏腔极限下（ｋ》．＜７），一组这样的量子位节点通过??波导可以构成单向量子网络。此时有效的二能级系统到波导的衰减率为７?＝?２ｐ２／／ｃ，其??中３是二能级系统－腔的耦合系数。另外一种是可以在电路谐振腔环境中实现这种单向??设计，如图ｂ所示。或者运用光力传感器系统也可以来实现这种单向耦合，如图ｃ所示??的。??（ａ）?°＾ｌ?（ｂ）?｛Ｃ）?ｊｎ＾??＝＝＼〇／：＝?ｄｈＦ?—卜憙卜?ｗ－－今．＝??｛?ｃｈａｒｇｅ?ｑＵｂｉｔＶ?＼?ａｌ??＾６?＾Ｌ／ｃａｖｉｔｙ??＼?１?Ｉ?Ｌｊ?＇?ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ?ｍ?ｓｐｉｎ??＼?—?）?■?ｒｅｓｏｎａｔｏｒ?ｑｕｂｉｔ??图１．５?其他可以实现级联型量子网络的物理实体：（ａ）将腔与循环器连接，（ｂ）非交互性超导电路上??的单向调节
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