基于多体系统自旋激发的物质波四波混频与信息处理过程研究

发布时间：2018-11-15 16:59

【摘要】：随着超冷原子,特别是原了玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)的实现,对超冷原子气体的物质波特性的研究逐渐形成了原子物质波光学这门新的学科,它在量子信息、量子仿真和量子测量中发挥了重要作用。近年来,物质波光学的研究逐渐拓展到量子物质波光学领域。量子物质波光学研究物质波的非经典性质和物质波非经典态的制备。类比于光学中的非经典态,物质波的非经典态在干涉仪灵敏度的提高、检验量子力学基本原理等方面有着重要的用途。而两团BEC碰撞过程中的自发四波混频是产生量子关联原子对的重要物理机制。处在不同自旋态上的原子之间的相互作用会引起自旋激发,然而目前的研究忽略了该效应。本文因此开展两团旋量BEC的四波混频研究。首先我们介绍利用旋量BEC的自发四波混频产生不同自旋分量原子之间的纠缠,然后进一步探索自旋态上存在的少量原子作为经典“种子”引起的参量放大现象,发展了物质波受激四波混频理论。另外自旋链作为量子多体物理中的一个重要模型,可以在固体以及光晶格中的BEC中实现。我们在本文的第六章提出了在半整数高自旋链上实现信息传递和存储的理论模型,并给出在现有技术条件下的实验实现方案。本论文的主要结论有以下几个方面：(1)我们考虑囚禁在磁阱中处在F=1超精细态下mF,=0磁子能级的BEC。这团BEC在Bragg衍射的作用下会分成反向运动的两个物质波波包,随后关闭囚禁势,让波包自由运动。由于原子间的自旋交换碰撞,一对mF=0磁子能级的物质波会激发到两个分别处在mF=±1磁子能级的物质波,这是旋量原子气体的四波混频。我们利用Bogoliubov方法首先研究了自发的物质波四波混频(即初始mF=±l磁子能级上无原子),发现反向散射的不同自旋的原子之间存在很强的二阶量子关联。我们进一步探索利用这些量子关联的原子来检验判断量子非定域性的Clauser-Horne-Shimony-Holt (CHSH)不等式。我们发现反向散射且分别处在mF=±l磁子能级的原子的关联强烈的违反CHSH不等式的现象,表明它们之间存在着非常强的纠缠。然而实验上由于粒子间的自旋交换碰撞,最初制备在磁阱中的BEC中,不可避免会有原子处在,mF≠0的自旋态上,这些原子将作为经典“种子”引起参量放大现象。于是我们紧接着分两种情况研究“种子”的影响。一种是所有“种子”处在同一自旋态的情况,另一种是“种子”原子平均分布在不同自旋态的情况。以前对“种子”引起的参量放大过程的研究主要关注原子数目的增加。我们研究了散射原子在动量空间的密度分布,发现其具有方向性。“种子”原子只会引起它相应动量方向上散射原子密度的增加。根据这一特点,可以有效的将散射原子储存起来加以利用。我们还首先对受激过程散射原子之间的量子关联特性进行研究,与物质波自发四波混频相比,受激四波混频在带来某些方向上散射原子密度的增加的同时,减弱了这些方向上不同自旋散射原子之间的关联。但是当只有一对自旋+1和自旋-1的原子作为种子时,我们发现CHSH不等式的仍然被违背,而且提高系统线性色散时间和碰撞时间的比值可以补偿散射原子密度增加对散射原子之间关联的减弱效应,使CHSH参数重新接近量子力学允许的上限2扼。这意味着通过旋量BEC的受激四波混频,我们可以定向的得到强关联的散射原子。(2)我们对半整数高自旋链上自旋态的相干转换进行了研究,发现半整数高自旋链可以很好地作为信息处理器件。我们于是提出利用半整数高自旋链同时实现信息传递和存储两种功能的方案,该方案可以避免常见的混合系统对操控精度要求高的缺点。我们把自旋链上原子的最高能态组成高能量子空间,最低能态组成低能量子空间。在零场分裂非常大的情况下,这两个子空间可以分别用对应的有效哈密顿很好的描述,高能量子空间的格点间通过交换作用直接耦合,低能量子空间的格点间通过更高阶的相互作用耦合。这两个空间耦合强度的不同使得可以将高能量子空间用来进行信息的传递,低能量子空间用作信息的存储。退相干和长程相互作用对我们系统中信息传递和存储几乎没有影响。在现有的技术条件下,我们提出利用磁性分子来实现这一方案。
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【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O469;O413

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