原子-光子系統(tǒng)的合作效應(yīng)和相干控制.pdf

1、以量子物理學(xué)為理論基礎(chǔ)，揭示光場的非經(jīng)典性質(zhì)、探索光與物質(zhì)相互作用的新奇量子效應(yīng)，并利用其奇異性質(zhì)設(shè)計新型的量子器件，是原子-光子系統(tǒng)的主要研究內(nèi)容。作為量子光學(xué)和量子信息技術(shù)的前沿領(lǐng)域，許多新奇的量子效應(yīng)都是在原子-光子領(lǐng)域內(nèi)被發(fā)現(xiàn)的。例如，腔量子電動力學(xué)(腔QED)描述了原子與光子很好的相干作用，就發(fā)現(xiàn)了Rabi振蕩、真空Rabi劈裂等。此外，研究人員還在原子-光子系統(tǒng)中觀察到了原子物質(zhì)波中的光速減慢及超光速現(xiàn)象、電磁誘導(dǎo)透明、單原

2、子的激光囚禁、超流到Mott絕緣量子相變、光子阻塞效應(yīng)、原子的波色-愛因斯坦凝聚等等。特別是冷原子物理中利用Feshbach共振調(diào)節(jié)散射長度，通過調(diào)節(jié)散射中心的參數(shù)來控制量子態(tài)，成為了一門成熟的實驗技術(shù)后，量子物理就已經(jīng)從被動觀察階段步入了主動操縱時代，人類將迎來量子調(diào)控的新時代。在量子物理的眾多新奇的量子效應(yīng)中，有一類奇特的量子效應(yīng)—合作量子效應(yīng)，引起了研究人員的濃厚興趣。通俗的講，許多實際系統(tǒng)是由大量同類子系統(tǒng)組成的，子系統(tǒng)之間存在

3、著相互作用，因此系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不能由各個子系統(tǒng)的微觀性質(zhì)的簡單相加而得到。事實上，所有子系統(tǒng)會通過某種方式關(guān)聯(lián)起來，使整個系統(tǒng)呈現(xiàn)宏觀的有序性，這就是所謂的“合作效應(yīng)”。在原子—光子系統(tǒng)中有許多的量子干涉效應(yīng)都可以算是合作效應(yīng)。例如:超輻射和亞輻射、集體蘭姆移動、電磁誘導(dǎo)透明等。合作效應(yīng)的存在也給我們提供了一種方法來觀察量子干涉效應(yīng)，那就是在一定的條件下，把大量粒子合作協(xié)調(diào)，協(xié)同一致，制備在單一量子態(tài)上。大量粒子的位相達到匹配條件就可以

4、合作形成宏觀量子態(tài)[2]。通過這種方法可以剔除環(huán)境影響導(dǎo)致的位相隨機性，使得它們展現(xiàn)出豐富的量子效應(yīng)。當(dāng)大量粒子合作相干群聚于單一量子態(tài)放大其量子效應(yīng)，神奇的量子特性就會精彩紛呈。從量子信息角度出發(fā)，這些合作效應(yīng)與量子關(guān)聯(lián)、量子糾纏究竟有何聯(lián)系是一個非常有意義而且值得深入探討的問題。我們就基于原子-光子系統(tǒng)的合作效應(yīng)和相干控制開展一些研究，重點關(guān)注少體問題的集體效應(yīng)，具體涉及到的是兩分離原子系統(tǒng)的超輻射和亞輻射，耦合腔陣列中的兩光子退局

5、域化等。
　　本研究分為六個部分：第一章主要介紹為什么選擇原子-光子系統(tǒng)作為我們的研究對象，以及國內(nèi)外研究動態(tài)和它的研究意義。第二章對原子-光子系統(tǒng)所涉及到一些量子光學(xué)和量子信息的基本理論做一個簡單的介紹。重點介紹量子信息中的量子糾纏與量子關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)知識。然后介紹度量光場中非經(jīng)典性的常見的三種方法:二階關(guān)聯(lián)函數(shù)、壓縮性質(zhì)和Wigner函數(shù)的負值性。第三章研究了處于在X型量子態(tài)的兩個分離原子的集體輻射特性。發(fā)現(xiàn)兩原子系統(tǒng)即使在原子間

6、沒有量子糾纏時，用量子諧錯度量的量子關(guān)聯(lián)仍然可以誘導(dǎo)和增強超輻射和亞輻射。同時利用常用的二階關(guān)聯(lián)函數(shù)探討了超輻射和亞輻射光子的量子統(tǒng)計特性。特別是，當(dāng)兩個分離原子的初始狀態(tài)是Werner態(tài)時，發(fā)現(xiàn)在超輻射區(qū)域的輻射光子展示了非經(jīng)典的亞泊松統(tǒng)計，并且亞泊松統(tǒng)計性質(zhì)隨著量子諧錯的增加而增強。而處于亞輻射區(qū)域的輻射光子的量子統(tǒng)計性質(zhì)完全依賴于量子諧錯的大小和探測器的方向角，而且輻射光子的統(tǒng)計性質(zhì)相對復(fù)雜，在一些區(qū)間是亞泊松統(tǒng)計，顯示非經(jīng)典性;

7、在一些區(qū)間則是超泊松統(tǒng)計，顯示經(jīng)典性。一個特別有趣的發(fā)現(xiàn)是，在亞輻射區(qū)域，我們預(yù)言了一個量子諧錯誘導(dǎo)的從超泊松到亞泊松光子的量子統(tǒng)計相變。此外，我們還計算了超輻射區(qū)域和亞輻射區(qū)域光子的壓縮特性，發(fā)現(xiàn)無論是一階、二階還是高階均不會有壓縮呈現(xiàn)。若考慮其中一個原子加速，另外一個不動時，超輻射特性會被削弱，而亞輻射性質(zhì)則會增強。這些結(jié)果表明，量子諧錯尤其是無糾纏的量子關(guān)聯(lián)，可以作為一個有極大量子優(yōu)越性的量子資源，將在量子計算和量子信息中扮演重要

8、角色。第四章基于無摻雜原子的一維耦合腔鏈，研究兩個初始糾纏的光子被注入到兩個相鄰的腔中時并且只考慮最近鄰相互作用下兩光子輸運特性。借助于兩光子退局域化程度的概念，給出了最初處于兩光子糾纏態(tài)|ψ>=cosθ｜2，0>+sinθ|0，2>的兩光子退局域化的動力學(xué)行為。發(fā)現(xiàn)通過兩光子的耦合腔模型可以展示出糾纏誘導(dǎo)的兩光子退局域化現(xiàn)象。當(dāng)光子遂穿強度分別為強耦合和弱耦合時，具體分析了光子遂穿強度、初態(tài)糾纏的大小對兩光子退局域化的影響。其次，進一

9、步考慮如果初態(tài)(|2，0>和|0，2>）為一個擁有相對相位的NOON型糾纏態(tài)，仍從兩光子退局域化的角度分析，發(fā)現(xiàn)可以實現(xiàn)與兩光子退局域化有關(guān)的量子ratchet效應(yīng);進一步深入分析發(fā)現(xiàn)相對位相可以誘導(dǎo)出一個兩光子退局域化的糾纏增強型模式到抑制型模式的相變。這就給我們提供了一個新的調(diào)控手段，那就是調(diào)節(jié)相對位相來操控一維耦合腔鏈系統(tǒng)中兩光子的運動。有趣的是，糾纏誘導(dǎo)的兩光子退局域化現(xiàn)象和兩光子退局域化的量子ratchet效應(yīng)都是源于初態(tài)糾纏

10、光子的量子干涉合作效應(yīng)，當(dāng)沒有糾纏時這些現(xiàn)象都會自動消失。第五章，我們致力于研究基于弱交叉克爾非線性的光子邏輯門的實現(xiàn)。基于線性光學(xué)器件的量子邏輯門的實現(xiàn)方案、糾纏態(tài)的制備方案以及信息處理方案的效率都很低;為了達到期望的效率，就得消耗大量的量子資源，如單光子。與線性光學(xué)方法相比，利用交叉克爾非線性可以極大地提高光量子邏輯門的實現(xiàn)效率，進而極大地提高相關(guān)量子計算、量子信息處理及多體糾纏態(tài)制備的效率。然而在實驗上或現(xiàn)實中產(chǎn)生大的克爾非線性強

11、度是非常困難的，至少在當(dāng)前的實驗技術(shù)條件下無法實現(xiàn)。為此，我們提出一種探索可行的方法，尋找能用其它光學(xué)參數(shù)或效應(yīng)來補償天然很弱的非線性強度或放大非線性效應(yīng)。那就是一種基于弱交叉克爾非線性的非破壞性兩光子糾纏門的設(shè)計原理和實驗方案，其中克爾非線性的強度比傳統(tǒng)方法中的非線性強度可以小幾個數(shù)量級，因此有望在當(dāng)前的實驗技術(shù)條件下實現(xiàn)。此非破壞性兩光子糾纏門可直接用來高效率地實現(xiàn)通用兩比特量子邏輯門，進而提高基于光子的量子計算和量子通信的效率。第