量子网络系统中的相干输运和单光子集体性动力学研究

发布时间：2020-11-11 05:57

　　 随着量子计算和量子信息技术的发展,越来越多的人开始关注对微观量子态的操作和调控问题。光子作为电磁场量子化的能量实体,与电磁环境没有直接的相互作用,已经成为量子信息载体的理想候选者。相比于其它有质量的微观粒子,光子在应用上具有速度快、容量大、抗干扰能力强和保密性好等优点。近些年,通过利用光子与物质之间的有效相互作用来实现对光子态的操控已经成为量子物理中的重要发展方向。研究表明,将量子发射器放入到受限空间中,光子与发射器之间的相互作用可以明显地增加,由此发展而来的腔电动力学和波导电动力学现在已经变成了量子光学中的两个重要分支。在波导电动力学中,光子可以沿着波导进行传播,根据量子力学原理,在波导中的光子会发生退相干现象。目前实验上已经实现了多种不同类型的高品质波导,例如光子晶体波导、超导传输线波导、纳米光纤、表面等离子体波导等,这为光子的长距离传输提供了良好的平台。在这些不同类型的波导系统中,耦合腔阵列波导由于其丰富的物理现象和能谱结构逐渐引起了人们的广泛关注。对耦合腔阵列系统中的光开关效应、动力学问题、束缚态问题、相干的量子输运问题等的研究不仅能够帮助人们了解和掌握这个系统中的量子性质,还能够帮助设计出在量子信息处理中所需要的量子器件和量子网络。在第一章中,我们简单介绍了光子的量子化发展过程和光子在受限波导中与量子发射器发生耦合的发展状况以及该系统的物理实现。在第二章中,我们研究了耦合腔波导与二能级量子发射器耦合的系统,分析了一维和二维耦合腔阵列中单光子态的相干输运问题。在第三章中,我们研究了一维耦合腔波导与三能级量子发射器耦合的系统,对其中的束缚态和自发辐射问题进行了计算和讨论。在第四章中,我们研究了一维耦合腔波导与量子发射器系综相耦合的系统,对其中的能级结构和单光子集体性动力学问题进行了分析和讨论。在第五章中,我们分析了一般玻色场与原子集合耦合的系统,对其中的束缚态和dark态在单光子集体性动力学中引起的囚禁效应进行了分析和讨论。在最后一章中,我们对全文的内容进行了总结,并且对接下来可能的工作做出一些展望。
【学位单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：O413
【部分图文】：

?第１章引言???ｙ?Ａｔｏｍｉｃ??Ｌａｓｅｒ?ｕ?ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ??＼?？?Ａｔｏｍ?ｉｎ?ｏｐｔｉｃａｌ?＼??ｍ?？?ｃｏｎｖｅｙｅｒ??Ａｔｏｍｉｃ?＼?Ｊ?Ｃａｖｉｔｙ?ｍｉｒｒｏｒ??１?ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ??图１．１真空测量中的腔ＱＥＤ示意图Ｍｌ。??射被光腔所抑制的行为。１９９２年，同样是在Ｃｓ原子中，Ｔｈｏｍｐｓｏｎ等人观测到表现出强??耦合机制的真空Ｒａｂｉ劈裂现象Ｗ。??除了将量子发生器放入受限的腔中可以提高光子与发射器的耦合强度外，越来??越多的人开始关注量子发射器与波导中的耦合，即波导ＱＥＤ，波导ＱＥＤ是实现最丫？网??络的最理想方案。由于在波导中光子的分布空间受到波导壁的限制，发射器与光子??的耦合强度也会明显地高于在真空中的耦合强度。此外，由于空间维度的减少，波导??中光子之间的千涉效应会明显地增加，很多非线性光学现象都能够在波导中被观察??到ｎｓ－ｍ。与腔ＱＥＤ相比，波导ＱＥＤ存在明显的＋同，在腔ＱＥＤ中，共振腔内只能存在??特定频率的光子，光子的频率带宽非常的窄，这限制了光子与量子发射器的耦合效??率。而在波导ＱＥＤ屮，光子的频率＂Ｊ■以不固定。在波导的端ＩＩ处，光ｆ态可以很容易??地被耦合进入波导或者从波导中被放出，光子进出波导的效率高于光子进入其它模式??的效率。目前，常见的波导平台有光子晶体１１８＿２１１，超导传输线ｌ２２￣Ｍ，纳米纤维１２Ｗ７］，??表明等离子体［２Ｓ＿３２］，电介质［３３３４］，钻石结构［３５，３６］，耦合腔系统［３７］等等。不同的波导??具有不同的色散关系，光子在波导中的转播速度由光子的频率对应的群速度决定，光??ｆ具

?第１章引言???图１．２光子晶体波导示意图？。??在》７尤量级的温度下工作，其传播的光子频率一般在微波范围。当环境温度下降到超??导体的临界温度以下时，超导体中的电子两两配对形成库伯对实现超导状态，在超导??态与正常态之间存在超导能隙。因为超导能隙的存在，当光子的频率小于能隙的间隔??时，光子可以很好的被限制在超导传输线内活动。在这样的波导中，光子可以与超导??量子电路之间实现很强的耦合作用，许多在传统的腔Ｑｒｏ系统中很难见到的高阶扉：子??效应都可以在这样的系统中被观察到。例如，巨克尔效应、多光子过程和单原子诱导??的微波光子双稳态。２０１０年，Ａｓｔａｆｉｅｖ等人将一个超导磁通量子比特耦合到一个开微波??传输线上１２２１，不仅成功地观察到了Ｍｏｌｌｏｗ三重态现象，而且还看到了原子的共振反??射现象。当功率可变的相干探测信号通过传输线传播到超导量子比特时，超导量子比??特被探测信号激发，然后往传输线的两端等量地辐射光子，发射的光子与透射端的??探测信号发生相干相消，导致探测光子的反射。在量子比特的每一次激发到辐射的??弛豫时间范围内，量子比特只能与一个单光子发生能量交换。文献１２２１通过扫描不同??频率的探测信号进入传输线，观察到了高达９４％的透射光消光系数（ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ?ｏｆ?ｔｈｅ??ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ），这远高于三维自由空间中通过聚焦透镜到达的７％－丨２％［７７－８１］。不久之??后，２０１１年，Ｈｏｉ等人将超导传输子量子比特耦合到超导传输线上，实现了９９．６％的透??射光消光系数［２３］。??１．３．２．３表面等离子体波导??表面等离７体波导是借助两种介质分界面处形成的等离子体传播光子

?第１章引言???图１．３超导传输线与超导量子比特耦合装置图及其等效电路１７２］。??于分界面方向，光子的振幅随着距离的增加呈指数衰减。两种介质通常由金属和电介??质组成，在两种介质的分界面处，光子可以与自由电子发生相互作用形成一种集体振??荡形式的激发，这种复合形式的激发称为表面等离子激元（Ｓｕｒｆａｃｅ?ｐｌａｓｍｏｎｐｏｌａｒｉｔｏｎ，??ＳＰＰ）。光子以等离子激元的形式在表面等离子体波导中进行传播。ＳＰＰ模有几个明显??的特点：（１）?ＳＰＰ模在介质的分界面处呈现高度的局域化，在金属表面的分布比在电介??质表面的分布更集中，其分布深度与光子的波长处于相同的量级。（２）?ＳＰＰ模在介质??表面进行传播时，由于损耗的存在，会发生衰减现象。（３）波导中的ＳＰＰ模的波矢比具??有相同频率的自由光子的波矢更大，ｇ卩ＳＰＰ模的波长比具有相同频率的自由光子的波??长更短。图１．４给出了等离子激元在金属／电介质表面的分布情况。由于光子场被高度地??局域在介质的分界面处，这使得光子能够像在其它波导中一样在表面等离子体波导中??进行传播。近些年，在表面等离子体波导中实现与量子发射器的强耦合效应引起了人??们的广泛关注。局域光子的界面通常在纳米尺度，就空间尺度上来讲，表面等离子体??波导与其它微米级的波导系统相比更容易实现与量子发射器的强耦合［８２］。目前，己经??在等离子体波导中实现强耦合的量子发射器有Ｊ－聚集体（Ｊ－ａｇｇｒｅｇａｔｅｓ）?［８３＿９（＾染料分??子叫－９３］和量子点由于ｓｐｐ模在波导中传播存在损耗现象，因此与其它光学波导??系统相比，在等离子体波导中由强耦合实现的复合模的寿命更加的短。在退相干发生??之前
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本文编号：2878842