退相干效应及其在稀薄气体中量子相干性上的表现

发布时间：2017-07-06 06:11

  本文关键词：退相干效应及其在稀薄气体中量子相干性上的表现

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【摘要】：退相干理论在解释许多实验现象时起着十分重要的作用,同时也被认为与测量问题有关。至今为止实验上已经在许多系统中观察到了退相干效应。冷原子系统,尤其是玻色一爱因斯坦凝聚(BEC),为我们观察多体系统的量子性质提供了一个重要的平台。在BEC临界温度以下,我们有GP方程可以描述整个体系,然而在高于但不远高于Tc的温度区间,至今仍缺少一个完善的理论。本篇论文主要尝试根据退相干理论在BEC临界温度之上建立一个原子原型。另外我们也对一个与混沌环境耦合的开放系统的退相干效应的性质进行了一些探讨。 本文分析了一个在BEC临界温度以上的实验(PRA.71,043615),在这个实验中观察到了热原子形成的干涉条纹,实验中观察到的条纹对比度高于热原子模型的预期,意味着这里有额外的相干性。我们的分析表明,只是对热原子模型做一些小的修正是无法解释实验中观察到的现象的。根据这个实验及BEC理论的启示,我们从量子布朗运动出发,构建出一个新的原子模型。在这个模型中,即使在BEC临界温度以上,依然有部分原子可以处在凝聚的状态,我们称之为相干凝聚态。利用退相干理论,对处于相干凝聚态的粒子数,我们给出了了一个含有若干未定参数的解析表达式。我们发现此时选择合适的参数可以解释实验中观察到的大部分现象。为了验证这个模型,我们也提出了一些对将来的实验的建议。 另外,我们研究了一个与混沌环境相耦合的开放系统,发现当退相干发生后,可以将环境的状态用一些随机选择的态代替,这个操作我们称之为环境随机化(ROE)。我们发现即使此后整个系统的性质发生变化,由这样得到的态也可以很好地模拟和预言此后系统约化密度矩阵的演化。这意味着当退相干发生时,各指针态所耦合的环境之间的关联已经确实消失了,或者说环境所包含的信息对我们来说已经不重要了,这时,我们可以将整个大系统的一个纯态等价看成一个混合态,如在多世界理论中,我们可以认为此时世界发生了“分叉”。我们预期,ROE将会为“真正”的退相干和“分叉”提供一个判据。
【关键词】：退相干 冷原子 原子模型 混沌环境
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O562
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-8
• 目录8-11
• 插图索引11-14
• 第一章 绪论14-18
• 第二章 退相干的一般理论18-32
• 2.1 相干性19-20
• 2.2 退相干和指针态20-25
• 2.2.1 相干性的消失20-21
• 2.2.2 环境导致的退相干21-25
• 2.2.3 小结25
• 2.3 不同耦合强度下的退相干25-31
• 2.3.1 弱耦合情况26-28
• 2.3.2 极强耦合28-29
• 2.3.3 中间耦合情况29-31
• 2.4 本章小结31-32
• 第三章 冷原子系统32-54
• 3.1 玻色—爱因斯坦凝聚32-42
• 3.1.1 玻色—爱因斯坦分布和BEC临界温度(无相互作用粒子)32-36
• 3.1.2 BEC的量子力学定义36-37
• 3.1.3 原子间相互作用和交换相互作用37-38
• 3.1.4 Gross-Pitaevskii方程38-42
• 3.2 外场中的冷原子系统42-50
• 3.2.1 原子和外场的相互作用42-44
• 3.2.2 磁阱44-45
• 3.2.3 激光冷却：多普勒(Doppler)过程45-47
• 3.2.4 塞曼减速47
• 3.2.5 磁光阱47-49
• 3.2.6 蒸发冷却49
• 3.2.7 Feshbach共振49-50
• 3.3 本章附录：随机投影GP方程50-54
• 第四章 Ketterl小组的实验及分析54-68
• 4.1 布拉格衍射及实验描述54-55
• 4.2 热原子模型55-61
• 4.2.1 最小不确定度高斯波包的自由演化57-59
• 4.2.2 一般单粒子态的干涉条纹59-60
• 4.2.3 热原子干涉条纹60-61
• 4.3 实验结果及分析61-68
• 4.3.1 实验结果61-62
• 4.3.2 速度选择性62-64
• 4.3.3 玻色—爱因斯坦分布对条纹对比度的修正64-65
• 4.3.4 原子云的扩散：经典情况65-68
• 第五章 BEC临界温度以上的原子模型68-80
• 5.1 量子布朗运动68-71
• 5.1.1 Hu-Paz-Zhang方程68-69
• 5.1.2 有限温量子布朗运动的指针态69-71
• 5.2 相干凝聚态71-74
• 5.2.1 高温情况和可分辨粒子近似72
• 5.2.2 BEC临界温度T_c附近和混合模型72-74
• 5.3 相干凝聚态的比例74-80
• 5.3.1 不同相干长度粒子的比例74-76
• 5.3.2 相干凝聚态的比例随温度的变化76-80
• 第六章 混合模型对Ketterle小组实验的解释80-90
• 6.1 混合模型的预言80-81
• 6.2 对实验的解释81-89
• 6.2.1 数值拟合策略81-82
• 6.2.2 τ_p=30μs的情况82-83
• 6.2.3 τ_p=10μs的情况83-88
• 6.2.4 小结88-89
• 6.3 未解决的问题和对将来实验的建议89-90
• 第七章 退相干与环境随机化90-100
• 7.1 环境随机化(ROE)90-91
• 7.2 数值模拟91-96
• 7.2.1 量子受击转子92
• 7.2.2 单量子比特模型92-94
• 7.2.3 数值模拟：ROE94-96
• 7.3 小结96-100
• 第八章 总结和展望100-102
• 参考文献102-106
• 致谢106-108
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果10

【共引文献】

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2 戴汉宁;基于冷原子系综的量子信息处理的研究[D];中国科学技术大学;2013年

3 杜佳佳;低维超冷原子的量子相变[D];山西大学;2013年

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本文编号：525003