里德堡原子系综的量子相干与应用

发布时间：2017-09-03 00:36

  本文关键词：里德堡原子系综的量子相干与应用

  更多相关文章： 里德堡原子系综 超级原子(SA) 偶极阻塞 交叉相互作用 合作光学非线性 电磁感应光栅(EIG)

【摘要】：随着量子信息与冷原子技术的不断发展，人们在寻求量子比特有效载体的过程中，围绕里德堡原子发现了诸多奇特性质。长程偶极-偶极相互作用、超长的能级寿命使得里德堡（Rydberg）原子少体系统在量子纠缠、量子逻辑门、量子控制等方面的研究中十分地活跃，也使之成为目前研究的热点。另一方面，将电磁感应透明技术与里德堡原子系综结合起来，利用偶极阻塞效应实现以单光子源、单光子晶体管等为代表的全光量子器件的研究，也成为人们关注的焦点。在本文中，我们主要研究里德堡原子系综中的量子相干效应及其应用。 首先，为精确计算里德堡原子系综的稳态光学响应，针对超级原子模型理论（SA）的缺陷与不足，我们给出了超级原子模型理论的改进方案，即精确的超级原子模型。通过对比两种模型的计算结果，我们发现精确的理论模型大大拓展了原有模型的适用范围。由于突破了弱场近似的限制，并且将高阶集体态考虑进来，在一些单光子过程较为显著的情形下，改进后的模型的计算结果更加符合实际的物理过程，这使得超级原子模型理论更加完备。在较强的探测强度、较大的频率失谐以及较大的原子密度的情况下，精确的模型均给出了完美契合实验结果的理论预期。此项工作为研究非线性Rydberg-EIT现象提供了一种更可靠的理论方法，并为我们之后的工作打下了坚实的基础。 其次，以单Rydberg态偶极阻塞效应为基础，我们研究了具有两个不同Rydberg态的原子系统中由不同Rydberg态间交叉偶极-偶极作用导致的双阻塞效应对系统光学响应以及光子统计分布的影响。探测光的透射性质随探测强度的变化表现出非线性的行为，而它的光子关联性质则随着共振位置的改变表现出单Rydberg阻塞和双Rydberg阻塞的切换。这个工作对于Rydberg-EIT的研究是个突破，，相信关联函数调制的结果对于进一步探索单光子间有效的相互作用，以及光子对在量子信息网络中获得确定的光子器件等研究有重要的应用价值。 最后，我们利用偶极阻塞效应，并结合驻波耦合电磁感应透明（EIT）介质，实现了一种全新的合作非线性光栅的理论方案。在这个光栅系统中，我们利用了正常的合作非线性EIT与反常非线性EIT影响光栅的调制。反常非线性EIT的透射率与双光子关联行为和正常非线性完全相反，随着入射探测强度的增大，透射率不断增加并且伴随显著的反聚束光子效应（亚泊松分布）。由此我们发现，新的光栅对于探测场的初始性质（如探测强度、光子统计规律等）极其敏感，即光栅各级次的衍射效率依赖于这些初始性质。这使得入射场强度以及初始探测场的双光子关联可以作为新的光栅操控自由度。此外，引入新的自由度，并未牺牲光栅的衍射能力。这个结果是对合作光学非线性的重要应用，也有助于包括全光量子器件、量子信息网络、非经典光的控制等方面的进一步研究。
【关键词】：里德堡原子系综 超级原子(SA) 偶极阻塞 交叉相互作用 合作光学非线性 电磁感应光栅(EIG)
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O431.2
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-20
• 1.1 Rydberg 原子相关的量子信息技术发展11-15
• 1.2 Rydberg 原子相关的电磁感应透明技术（Rydberg-EIT）15-17
• 1.3 论文结构及主要内容17-20
• 第2章 与论文相关的研究背景及近况20-42
• 2.1 Rydberg 原子简介20-24
• 2.1.1 基本性质20-21
• 2.1.2 偶极阻塞效应21-24
• 2.2 单 Rydberg 态原子系综稳态光学响应24-33
• 2.2.1 超级原子模型26-31
• 2.2.2 正常与反常合作非线性效应31-33
• 2.3 双 Rydberg 态原子系统33-37
• 2.3.1 自相互作用33-35
• 2.3.2 交换相互作用35-37
• 2.4 电磁诱导光栅37-42
• 2.4.1 Lambda 型复合光栅38-41
• 2.4.2 N 型相位光栅41-42
• 第3章 超越弱场近似的 Rydberg 原子电磁感应透明42-57
• 3.1 引言42-44
• 3.2 理论模型与主要公式44-49
• 3.3 结果与讨论49-56
• 3.4 本章小结56-57
• 第4章 基于双 Rydberg 态的非线性电磁感应透明57-73
• 4.1 引言57-58
• 4.2 理论模型与主要公式58-64
• 4.3 结果与讨论64-72
• 4.3.1 自相互作用65-69
• 4.3.2 交叉相互作用69-72
• 4.4 本章小结72-73
• 第5章 基于 Rydberg 偶极阻塞效应的合作非线性光栅73-87
• 5.1 引言73-74
• 5.2 理论模型与主要公式74-81
• 5.3 结果与讨论81-86
• 5.4 本章小结86-87
• 总结与展望87-90
• 参考文献90-103
• 在学期间的科研成果103-105
• 致谢105-107

【共引文献】

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本文编号：781869