開放原子-腔場(chǎng)系統(tǒng)的量子特性研究.pdf

1、本文研究了開放系統(tǒng)中原子與腔場(chǎng)相互作用系統(tǒng)的量子特性，與以往人們研究的封閉系統(tǒng)相比更接近實(shí)際情況；并且通過求解開放系統(tǒng)的主方程獲得體系密度矩陣的精確解析解，這也是本文所做的主要工作。本文在體系與環(huán)境相互作用下，由密度矩陣的演化導(dǎo)出系統(tǒng)的主方程，并用超算符Lie代數(shù)方法詳細(xì)推導(dǎo)了求解描述系統(tǒng)主方程的過程。在此基礎(chǔ)上，利用數(shù)值計(jì)算方法研究了相位耗散腔中光場(chǎng)與多個(gè)∧型三能級(jí)原子在Raman相互作用下光場(chǎng)的相位分布等量子特性以及開放系統(tǒng)中∧型原

2、子與光場(chǎng)Raman相互作用體系的線性熵。
　　 首先，在Pegg-Barnett相位理論的基礎(chǔ)上，由一個(gè)∧型三能級(jí)原子與單模光腔Raman耦合的情況，推廣到N個(gè)彼此獨(dú)立的∧型三能級(jí)原子與單模光腔耦合，通過求解主方程，得到光場(chǎng)的約化密度矩陣，利用光場(chǎng)的約化密度矩陣，進(jìn)而得到光場(chǎng)相位分布概率。通過改變?cè)訑?shù)、光場(chǎng)平均光子數(shù)和腔場(chǎng)耗散系數(shù)，借助于數(shù)值求解繪出系統(tǒng)的各種量子特性演化圖形，如：光場(chǎng)的相位分布圖。文中通過計(jì)算分別繪出了當(dāng)原子

3、數(shù)依次為N=1，2，3，4，5時(shí)光場(chǎng)的相位在極坐標(biāo)中的分布圖，并討論了原子數(shù)、光場(chǎng)平均光子數(shù)和腔場(chǎng)的耗散系數(shù)對(duì)光場(chǎng)相位分布概率以及相位漲落的影響。通過研究表明：光場(chǎng)的相位概率分布跟光場(chǎng)的原子數(shù)、光場(chǎng)平均光子數(shù)、原子之間的耦合強(qiáng)度以及腔場(chǎng)的耗散程度都密切相關(guān)。當(dāng)腔不存在損耗的時(shí)候，光場(chǎng)與原子相互作用的相位分布以周期πλ做周期性振蕩；在t=nπ/λ時(shí)刻，光場(chǎng)和原子退糾纏，光場(chǎng)的相位分布概率曲線在極坐標(biāo)圖中呈單葉型結(jié)構(gòu)；在演化周期內(nèi)，光場(chǎng)與原

4、子的相互作用使相位分布概率曲線會(huì)分裂為多葉型結(jié)構(gòu)。當(dāng)腔存在損耗的時(shí)候，相位分布概率的葉型結(jié)構(gòu)逐漸演化為以坐標(biāo)原點(diǎn)為中心的圓，即光場(chǎng)的相位分布最終演化為隨機(jī)分布；腔場(chǎng)的耗散系數(shù)越大，光場(chǎng)相位趨于隨機(jī)分布越快。另外，原子數(shù)的變化，并不改變相位分布的葉形結(jié)構(gòu)，但有延緩光場(chǎng)相位衰減的作用；相位漲落受到腔場(chǎng)耗散的影響呈現(xiàn)出周期性振蕩增大的特性。
　　 其次，在考慮環(huán)境耗散對(duì)量子體系影響的前提下，利用描述環(huán)境作用的超算符方法，對(duì)開放量子系統(tǒng)

5、中∧型三能級(jí)原子與光場(chǎng)拉曼相互作用體系的主方程進(jìn)行了精確求解，計(jì)算了原子、光場(chǎng)以及系統(tǒng)的線性熵，利用線性熵來討論光場(chǎng)、原子和系統(tǒng)的純度演化，并且結(jié)合光場(chǎng)、原子和系統(tǒng)線性熵隨時(shí)間演化的圖形討論了光場(chǎng)強(qiáng)度、腔的耗散系數(shù)以及兩能級(jí)間的Stark位移對(duì)系統(tǒng)線性熵的影響。研究結(jié)果表明：光場(chǎng)越強(qiáng)，原子和系統(tǒng)越快地達(dá)到混合態(tài)，光場(chǎng)經(jīng)振蕩回到真空純態(tài)所需時(shí)間延長(zhǎng)，光場(chǎng)與其它子系統(tǒng)進(jìn)行熵交換的時(shí)間也越長(zhǎng)；當(dāng)腔場(chǎng)存在幅值耗散時(shí)，腔耗散系數(shù)越大，熵交換時(shí)間越

6、短；改變兩能級(jí)間的Stark位移使原子和場(chǎng)之間的耦合增強(qiáng)，而系統(tǒng)的耗散系數(shù)不變，此時(shí)，系統(tǒng)的熵交換加快且其穩(wěn)態(tài)值變小。
　　 綜上所述，開放系統(tǒng)中腔的相位耗散對(duì)光場(chǎng)的量子特性有明顯的影響，因?yàn)榍坏暮纳⒆饔脤?dǎo)致了體系的量子相干性的損失，而量子信息過程在本質(zhì)上所利用的就是量子相干性。因此，研究量子體系在開放系統(tǒng)中的量子特性，對(duì)量子信息的保存和傳輸都有著非常重要的價(jià)值。本文的結(jié)論對(duì)利用原子-腔場(chǎng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)量子通信與量子計(jì)算有一定參考價(jià)