分子腔QED系统中宏观纠缠猫态的制备

发布时间：2021-11-28 19:25

　　分子腔量子电动力学（quantum electrodynamics,QED）是量子光学领域中一个新兴的研究方向,其主要描述了分子与腔内量子化电磁场之间的相互作用。因为分子腔QED系统在很大程度上可以抑制系统各个自由度的消相干,所以导致了分子与量子化电磁场在动力学特征时间尺度内可以保持较好的量子相干性。迄今为止,分子腔QED已经在理论和实验上得到了广泛的研究。近年来,随着实验技术水平的提高和纳米技术的快速发展,目前已经在实验中实现了单个分子在常温下与等离子体纳米腔的强耦合,也就是利用单个分子也能够产生可观察的物理效应。分子腔QED有着广阔的发展前景,未来在量子光学方向具有很多实际的应用。例如,多个自由度的分子与量子化电磁场的相互作用,可以用来进行量子态的制备以及研究量子态的的纠缠和相干性质。宏观纠缠猫态是一种典型的量子态,其不仅在研究量子物理的基本问题中具有重要意义,而且在连续变量量子信息处理和量子计量等现代量子技术中也有着广泛的应用。本文基于分子腔QED系统展开,我们提出了一种在分子腔QED系统中产生宏观纠缠猫态的方案。通过同时调节分子振动和腔场的共振频率,可以显著增强分子振动的位移,... 

【文章来源】：湖南师范大学湖南省 211工程院校

【文章页数】：61 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

等离子体与分子振动相互作用的腔光力学模型(a)具有机械谐振性的光学腔（顶部面板）和包含拉曼活性的内部振动模式的分子的等离激元热点（底部面板）的示意图，其中分子绘制为通过弹簧连接的两个有质量的小球

分子腔QED系统中宏观纠缠猫态的制备大。也就是说当一个原子与一个高品质因子的腔耦合时，原子的自发辐射概率将会极大地增强。随后腔QED就成为了一个研究热点，慢慢出来了一系列与之相关的理论工作[38,39]。与此同时，人们在实验上也进行了广泛的探索。第一个关于抑制自发辐射的实验工作是由Drexhage[40]等人完成的，他们将细染料薄膜放置在镜片附近，发现其荧光衰竭减少高达百分之二十五，从而验证了该效应的存在，此时在实验上才有了实质性的进展。随后Kleppner[41]提出，原子在空腔中的辐射性质与原子在自由空间中的辐射性质有着根本的不同,如果腔体的特征尺寸小于辐射波长，则抑制自发发射，如果腔体是共振的，则增强。对抑制或增强自发辐射的观测都将为原子物理和宏观电动力学之间提供一个有趣的桥梁，因此其成为了腔量子电动力学理论的一个重要里程碑。紧接着Kleppner的研究小组在实验上获得重大突破，于1985年利用法布里-珀罗腔对腔内的里德堡原子的自发辐射进行了成功地抑制，其结果就是原子的寿命得到了极大的提高，甚至提高到真空状态时的几十倍[42]，这样原子与腔场相互作用的时间大大增长，从而促进了腔QED在理论和实验上的进步，为腔QED的发展做出了杰出的贡献。图1-2:(a)用于观察放置在等离子体腔中的分子的拉曼散射的装置的示意图。(b)由虚拟态|v介导的分子的两个振动态(n=0→1)之间的双光子非共振斯托克斯散射的示意图。谐振势（实线）近似于基态电子的能量分布（虚线）。(c)典型的等离激元腔模以可见范围内的频率ωc为中心，其宽度和品质因数Q=ωc/κ与ωc相关的衰减率κ相关。此图片及描述来自于[48]。随着腔量子电动力学实验的进展,在很多物理系统中已经实现了粒子与腔场之间的-3-

湖南师范大学硕士学位论文图1-3:(a)和(b)4D标度的联合Wigner函数P+J(βA,βB)沿(a)Re(βA)-Re(βB)轴(b)Im(βA)-Im(βB)轴进行2D平面切割,其中相干幅度|α|=1.92。(c)和(d)4D标度的联合Wigner函数PJ(βA,βB)沿(c)Re(βA)-Re(βB)轴和(d)Im(βA)-Im(βB)轴进行2D平面切割,其中相干幅度|α|=1.92。(e)：(a)和(c)中数据的对角线切割，对应于Re(βA)=Re(βB)和Im(βA)=Im(βB)=0。(f)：(b)和(d)中数据的对角线切割，对应于Im(βA)=Im(βB)和Re(βA)=Re(βB)=0。此图片及描述来自于[88]。来。根据量子力学的理论，经过一段时间后，盒内的系统将处于下面形式的一个叠加态，|ψ=1√2(|e|Live+|g|Dead).(1-16)从公式中可以看出，在我们打开盒子进行观察之前，猫应该处于死猫和活猫的叠加状态。但显然，在宏观世界里面，既死又活的猫是荒谬的，这与我们日常的生活经验发生了很大的矛盾。但是，随着理论和实验的发展，量子光学不仅在理论上提出了如何制备这类“猫态”，更在实验上证明了它是的确存在的。这类问题实际上就是宏观物理的量子现象，如超导电路、玻色-爱因斯坦凝聚等等。-8-


本文编号：3525007