基于強(qiáng)耦合腔量子電動力學(xué)的量子糾纏研究.pdf

1、量子糾纏是量子物理區(qū)別于經(jīng)典物理的最顯著特征之一。它不但可用于驗(yàn)證量子非局域性，而且在量子信息處理和量子通信等領(lǐng)域有極其重要的應(yīng)用價(jià)值。因此自愛因斯坦和薛定諤等人提出量子糾纏以來，量子糾纏就引起了人們極大的興趣。發(fā)展至今，量子糾纏的一些基本特性已被人們熟知。因此，當(dāng)前量子糾纏的研究主要集中在尋找合適的物理系統(tǒng)制備高效率、高保真度和長相干時(shí)間的量子糾纏，以用于規(guī)?；?、集成化的量子計(jì)算，遠(yuǎn)距離量子通信，以及高精度的量子計(jì)量等。
　　腔

2、量子電動力學(xué)（腔QED）是研究受限空間中電磁場和物質(zhì)（如原子、分子、離子和量子點(diǎn)等）相互作用的一門學(xué)科。腔QED系統(tǒng)研究的一個(gè)重要物理系統(tǒng)是原子-腔相互作用系統(tǒng)。當(dāng)原子和腔的相互作用強(qiáng)度超過系統(tǒng)自身的各種損耗（如原子的自發(fā)輻射、腔內(nèi)光子損耗等），系統(tǒng)進(jìn)入強(qiáng)耦合區(qū)域。強(qiáng)耦合腔QED系統(tǒng)能夠高效、確定性地操控單原子和單光子的量子態(tài)，是量子信息處理和量子通信的理想場所。當(dāng)前，盡管人們基于腔QED系統(tǒng)已成功制備了原子-原子糾纏、光子-原子糾纏等

3、，但在多原子體系中，對每個(gè)原子和光子的量子態(tài)獨(dú)立操控仍是當(dāng)前實(shí)驗(yàn)技術(shù)的一個(gè)難點(diǎn)。此外，如何降低量子系統(tǒng)的各種消相干因素對量子系統(tǒng)的影響，以擴(kuò)展量子計(jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，是腔QED系統(tǒng)，也是其他各種物理系統(tǒng)一直追尋的目標(biāo)。
　　考慮到這些問題，本文將圍繞基于強(qiáng)耦合腔QED的量子糾纏制備和量子糾纏動力學(xué)演化開展工作，主要內(nèi)容包括:
　　1)研究單個(gè)微腔中，Λ型多原子W態(tài)的制備。我們考慮原子的一個(gè)能級躍遷與單模腔共振，而另一個(gè)能級

4、躍遷與一束有一定失諧的弱激光脈沖相互作用。數(shù)值模擬結(jié)果表明，該方案能有效地抑制原子自發(fā)輻射和光子損耗對系統(tǒng)的影響。此外，由于弱相干光的引入，可以降低激光對量子系統(tǒng)的影響。因此，該方案可以實(shí)現(xiàn)魯棒的(robust)W態(tài)制備。
　　2)研究基于耦合腔系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分布式原子NOON態(tài)的制備，以實(shí)現(xiàn)達(dá)到海森堡極限的量子計(jì)量。我們考慮了兩種模型制備分布式NOON態(tài):其一是基于二能級原子-光纖-腔系統(tǒng);其二是基于三能級人型原子-直接耦合腔系統(tǒng)。這

5、兩種方案各有一定的優(yōu)缺點(diǎn):方案一的優(yōu)點(diǎn)是兩原子系統(tǒng)的分布距離較遠(yuǎn)，但相干時(shí)間較短且系綜中的原子數(shù)不能太大;方案二相對較復(fù)雜，但NOON態(tài)的相干時(shí)間較長。盡管這兩種方案都不完美，但在量子計(jì)量和量子網(wǎng)絡(luò)中都有一定的現(xiàn)實(shí)意義。
　　3)研究量子系統(tǒng)演化過程中的量子Zeno效應(yīng)，基于量子Zeno動力學(xué)實(shí)現(xiàn)俘獲在兩個(gè)直接耦合腔中的原子糾纏態(tài)制備。我們考慮兩個(gè)人型原子（原子系綜）與兩個(gè)直接耦合光學(xué)微腔相互作用。方案中原子和兩個(gè)腔始終處在基態(tài)，

6、可以減小原子和光子的耗散對系統(tǒng)的影響。此外，即使原子的初態(tài)不是很完美，我們?nèi)钥梢灾苽涑龈弑Ｕ娑容^高的原子（原子系綜）糾纏態(tài)。
　　4)研究量子糾纏在量子光場中的糾纏動力學(xué)，為今后研究量子糾纏的存儲，以及量子計(jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ)。我們考慮兩個(gè)Tavis-Cummings原子同時(shí)與一個(gè)壓縮真空光場相互作用的原子糾纏動力學(xué)。我們發(fā)現(xiàn)雙原子的糾纏度（concurrence）在有限的時(shí)間內(nèi)發(fā)生糾纏猝死(Entanglementsudden