原子—光子系统的合作效应和相干控制

发布时间：2017-03-22 11:15

  本文关键词：原子—光子系统的合作效应和相干控制，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：以量子物理学为理论基础,揭示光场的非经典性质、探索光与物质相互作用的新奇量子效应,并利用其奇异性质设计新型的量子器件,是原子-光子系统的主要研究内容。作为量子光学和量子信息技术的前沿领域,许多新奇的量子效应都是在原子-光子领域内被发现的。例如,腔量子电动力学(腔QED)描述了原子与光子很好的相干作用,就发现了Rabi振荡、真空Rabi劈裂等。此外,研究人员还在原子-光子系统中观察到了原子物质波中的光速减慢及超光速现象、电磁诱导透明、单原子的激光囚禁、超流到Mott绝缘量子相变、光子阻塞效应、原子的波色-爱因斯坦凝聚等等。特别是冷原子物理中利用Feshbach共振调节散射长度,通过调节散射中心的参数来控制量子态,成为了一门成熟的实验技术后,量子物理就已经从被动观察阶段步入了主动操纵时代,人类将迎来量子调控的新时代。在量子物理的众多新奇的量子效应中,有一类奇特的量子效应—合作量子效应,引起了研究人员的浓厚兴趣。通俗的讲,许多实际系统是由大量同类子系统组成的,子系统之间存在着相互作用,因此系统的宏观性质不能由各个子系统的微观性质的简单相加而得到。事实上,所有子系统会通过某种方式关联起来,使整个系统呈现宏观的有序性,这就是所谓的“合作效应”[1]。在原子—光子系统中有许多的量子干涉效应都可以算是合作效应。例如：超辐射和亚辐射、集体兰姆移动、电磁诱导透明等。合作效应的存在也给我们提供了一种方法来观察量子干涉效应,那就是在一定的条件下,把大量粒子合作协调,协同一致,制备在单一量子态上。大量粒子的位相达到匹配条件就可以合作形成宏观量子态[2]。通过这种方法可以剔除环境影响导致的位相随机性,使得它们展现出丰富的量子效应。当大量粒子合作相干群聚于单一量子态放大其量子效应,神奇的量子特性就会精彩纷呈。从量子信息角度出发,这些合作效应与量子关联、量子纠缠究竟有何联系是一个非常有意义而且值得深入探讨的问题。我们就基于原子-光子系统的合作效应和相干控制开展一些研究,重点关注少体问题的集体效应,具体涉及到的是两分离原子系统的超辐射和亚辐射,耦合腔阵列中的两光子退局域化等。第一章主要介绍为什么选择原子-光子系统作为我们的研究对象,以及国内外研究动态和它的研究意义。第二章对原子-光子系统所涉及到一些量子光学和量子信息的基本理论做一个简单的介绍。重点介绍量子信息中的量子纠缠与量子关联的基础知识。然后介绍度量光场中非经典性的常见的三种方法：二阶关联函数、压缩性质和Wigner函数的负值性。第三章研究了处于在x型量子态的两个分离原子的集体辐射特性。发现两原子系统即使在原子间没有量子纠缠时,用量子谐错度量的量子关联仍然可以诱导和增强超辐射和亚辐射。同时利用常用的二阶关联函数探讨了超辐射和亚辐射光子的量子统计特性。特别是,当两个分离原子的初始状态是Werner态时,发现在超辐射区域的辐射光子展示了非经典的亚泊松统计,并且亚泊松统计性质随着量子谐错的增加而增强。而处于亚辐射区域的辐射光子的量子统计性质完全依赖于量子谐错的大小和探测器的方向角,而且辐射光子的统计性质相对复杂,在一些区间是亚泊松统计,显示非经典性；在一些区间则是超泊松统计,显示经典性。一个特别有趣的发现是,在亚辐射区域,我们预言了一个量子谐错诱导的从超泊松到亚泊松光子的量子统计相变。此外,我们还计算了超辐射区域和亚辐射区域光子的压缩特性,发现无论是一阶、二阶还是高阶均不会有压缩呈现。若考虑其中一个原子加速,另外一个不动时,超辐射特性会被削弱,而亚辐射性质则会增强。这些结果表明,量子谐错尤其是无纠缠的量子关联,可以作为一个有极大量子优越性的量子资源,将在量子计算和量子信息中扮演重要角色。第四章基于无掺杂原子的一维耦合腔链,研究两个初始纠缠的光子被注入到两个相邻的腔中时并且只考虑最近邻相互作用下两光子输运特性。借助于两光子退局域化程度的概念,给出了最初处于两光子纠缠态|ψ=cos θ|2,0+sin θ|10,2的两光子退局域化的动力学行为。发现通过两光子的耦合腔模型可以展示出纠缠诱导的两光子退局域化现象。当光子遂穿强度分别为强耦合和弱耦合时,具体分析了光子遂穿强度、初态纠缠的大小对两光子退局域化的影响。其次,进一步考虑如果初态(12,0)和10；2))为一个拥有相对相位的N00N型纠缠态,仍从两光子退局域化的角度分析,发现可以实现与两光子退局域化有关的量子ratchet效应；进一步深入分析发现相对位相可以诱导出一个两光子退局域化的纠缠增强型模式到抑制型模式的相变。这就给我们提供了一个新的调控手段,那就是调节相对位相来操控一维耦合腔链系统中两光子的运动。有趣的是,纠缠诱导的两光子退局域化现象和两光子退局域化的量子ratchet效应都是源于初态纠缠光子的量子干涉合作效应,当没有纠缠时这些现象都会自动消失。第五章,我们致力于研究基于弱交叉克尔非线性的光子逻辑门的实现。基于线性光学器件的量子逻辑门的实现方案、纠缠态的制备方案以及信息处理方案的效率都很低；为了达到期望的效率,就得消耗大量的量子资源,如单光子。与线性光学方法相比,利用交叉克尔非线性可以极大地提高光量子逻辑门的实现效率,进而极大地提高相关量子计算、量子信息处理及多体纠缠态制备的效率。然而在实验上或现实中产生大的克尔非线性强度是非常困难的,至少在当前的实验技术条件下无法实现。为此,我们提出一种探索可行的方法,寻找能用其它光学参数或效应来补偿天然很弱的非线性强度或放大非线性效应。那就是一种基于弱交叉克尔非线性的非破坏性两光子纠缠门的设计原理和实验方案,其中克尔非线性的强度比传统方法中的非线性强度可以小几个数量级,因此有望在当前的实验技术条件下实现。此非破坏性两光子纠缠门可直接用来高效率地实现通用两比特量子逻辑门,进而提高基于光子的量子计算和量子通信的效率。第六章对本论文做一个总结和展望。
【关键词】：合作效应 量子关联 量子纠缠 超辐射 亚辐射 二阶关联函数 耦合腔系统 退局域化
【学位授予单位】：湖南师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O413
【目录】：

• 中文摘要3-7
• 英文摘要7-16
• 第一章 绪论16-20
• 第二章 量子关联与光场非经典特性简介20-44
• §2.1 引言20-21
• §2.2 量子纠缠21-28
• §2.2.1 两体纠缠22-23
• §2.2.2 多体纠缠23-25
• §2.2.3 纠缠度量25-28
• §2.3 量子谐错28-33
• §2.3.1 量子谐错定义28-32
• §2.3.2 两体量子谐错32-33
• §2.4 光场光子关联函数33-39
• §2.4.1 一阶关联函数34-35
• §2.4.2 二阶关联函数35-39
• §2.5 光场压缩特性39-41
• §2.5.1 一阶压缩39-40
• §2.5.2 高阶压缩40-41
• §2.6 Wigner函数的负值性41-44
• 第三章 量子关联诱导的超辐射与亚辐射效应44-68
• §3.1 引言44-45
• §3.2 偶极矩诱导超辐射和亚辐射的回顾45-52
• §3.2.1 超辐射简介45-47
• §3.2.2 两原子的超辐射47-49
• §3.2.3 多原子的超辐射49-52
• §3.3 量子关联诱导的超辐射与亚辐射52-60
• §3.3.1 无偶极相互作用的两原子远场辐射模型52-54
• §3.3.2 X型两体混合态的量子关联54-56
• §3.3.3 X型两体混合态的辐射强度56-60
• §3.4 远场辐射区光场的非经典性质60-64
• §3.4.1 光场的量子统计60-63
• §3.4.2 光场的压缩性质63-64
• §3.5 加速原子的超辐射与亚辐射64-65
• §3.6 本章小结65-68
• 第四章 耦合腔中纠缠诱导的两光子退局域化与ratchet效应68-96
• §4.1 引言68-69
• §4.2 耦合腔系统简介69-75
• §4.2.1 闭链的能谱与对角化70-72
• §4.2.2 开链的能谱与对角化72-75
• §4.3 纠缠诱导的两光子退局域化75-85
• §4.3.1 耦合腔中安德森光子局域化76-78
• §4.3.2 单光子传输特性78-79
• §4.3.3 耦合腔中纠缠诱导的两光子退局域化79-82
• §4.3.4 弱耦合时两光子退局域化82-83
• §4.3.5 强耦合时两光子退局域化83-85
• §4.4 相位控制的两光子ratchet效应85-93
• §4.4.1 存在相对相位初态纠缠的平均光子数85-86
• §4.4.2 量子费舍尔信息研究相对相位的影响86-89
• §4.4.3 两光子退局域化的量子ratchet效应89-90
• §4.4.4 纠缠对两光子退局域化的影响90-91
• §4.4.5 相对相位对两光子退局域化的影响91-92
• §4.4.6 相对相位和纠缠对两光子退局域化的共同影响92-93
• §4.5 本章小结93-96
• 第五章 基于弱交叉克尔非线性的两光子宇称门96-106
• §5.1 引言96-98
• §5.2 基于弱交叉克尔非线性的两光子偏振宇称门98-102
• §5.2.1 两光子偏振宇称门装置分析98-99
• §5.2.2 输出模与信号模之间的关系99
• §5.2.3 两光子偏振宇称门99-102
• §5.3 鲁棒性分析102-104
• §5.4 本章小结104-106
• 第六章 总结和展望106-108
• 参考文献108-122
• 攻读博士期间发表和完成的论文目录122-124
• 致谢124-126

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本文编号：261404