原子相干及其在量子信息中的应用研究

论文摘要

量子物理区别于经典物理的两大特性：量子相干和量子纠缠，在量子力学的发展过程中起到了独特的作用。围绕量子相干和量子纠缠的研究不仅促进了量子力学本身的发展，还促进了量子力学与信息科学的交叉，形成了量子信息学。本质上说，量子信息学是一门研究如何开发和应用量子相干与量子纠缠特性来进行信息存储、信息传输和信息处理的科学。量子信息可以在多种物理系统中实现，但原子分子与光学系统由于其在量子相干和量子纠缠的产生、保持、操控等方面的突出优点而被广泛应用于量子信息。研究原子分子和光学系统中的原子相干和干涉效应及其在量子态制备、量子态受控操作、量子信息存储和实现不同体系之间的量子信息传输等方面的应用，将为实现量子信息实际应用打下坚实的基础。本文着眼于实现量子态相干操控，从多能级原子系统和相干光场、非相干光场以及真空场等相互作用体系入手，探讨了一些重要的原子相干和干涉效应，如相干布居囚禁、电磁感应透明、自发辐射产生相干等效应；讨论了如何通过选择合适的原子结构、驱动场配置等现实可调控因素，来寻找新型的原子相干产生机制，以保持量子相干或增强量子相干，更有效抵御环境诱导消相干因素的作用，从而更好的实现量子态相干操控。主要工作如下：(1)、提出了一种新的四能级菱形结构原子系统和四束激光场相互作用模型，深入研究了在其中产生双电磁感应透明效应的物理机制，在此基础上提出了利用双电磁感应透明效应实现两量子位控制相位门的一个方案。我们着眼于寻找有着理想能级结构的原子系统，在相干场驱动下，这种原子系统能够产生有利于实现量子态相干操控的原子相干和干涉效应。为此我们提出了一种新的四能级菱形结构原子和四束激光场相互作用模型，发现在不同的相干光场配置下，菱形原子系统会出现对称破缺情况，并产生多种双暗态共振，进而产生了灵活受控的双电磁感应透明效应。通过求解系统的密度矩阵元方程组，揭示了在系统中产生双电磁感应透明效应的物理机制。对比其他多能级原子系统，菱形四能级原子和光场相互作用模型可以十分灵活的产生受控的双电磁感应透明效应，因而能更加方便的实现量子相位门操作；同时由于我们的模型对实验实现条件的要求十分宽松，因此可以很容易在实际原子体系中实现。我们还讨论了两种候选原子系统在实验实现方面的优缺点，得到了一种最优的方案。(2)、研究了三能级Λ型系统在非相干泵浦场和真空热库联合作用下产生的原子相干和干涉效应,得到了比文献中的V型原子系统中品质更优良、类型更多样、更易于操控的相干布居囚禁态和多重稳态的结果。我们首先通过求解Λ型原子系统运动方程的稳态解,得到了相干布居囚禁态和多重稳态的结果。与??型三能级原子系统中的结果对比,在Λ型原子系统中得到的相干布居囚禁态以及多重稳态更易于操控、品质更优良,也更能抵御外界消相干的影响。其次,我们还详细讨论了在不同初始条件下能级布居数迁移情况和原子相干激发过程,得到了一种新的弱稳态。这种弱稳态完全由自发辐射过程产生,在外界扰动下容易消相干。研究各种性质不同的稳态的产生过程揭示了原子相干的产生机制:泵浦过程和自发衰变过程之间的量子相消干涉的结果。对Λ型系统的研究完善了在三能级系统中利用非相干泵浦和自发衰变等弛豫过程产生原子相干效应的机制,为更好的利用原子相干效应去克服消相干作用、实现量子态相干操控提供了新的方法和手段。(3)、研究了菱形四能级原子系统中自发辐射产生相干效应对共振荧光谱的相干调制,得到了荧光增强、谱线增强、线宽压窄、谱线压缩、边带削减、荧光压缩甚至完全淬灭荧光等多种重要的光谱调制效应;提出了一种新型的“跷跷板”中间能级结构来制备自发辐射产生相干效应的模型,放宽了实验观察自发辐射相干效应的严苛条件。结合相干光场对原子系统灵活多样的相干操控特点,以及真空场耦合原子系统的自发辐射过程产生原子相干效应两方面因素,我们分析了菱形四能级系统在各种不同配置的相干场驱动下,自发辐射产生相干效应调制共振荧光谱所导致的多种重要的谱线特征。这些光谱现象对应着在相干场和非相干场作用下复杂的原子相干和干涉过程。对这些现象的详细分析为更好的抵御消相干过程、更好的实现量子态相干操控提供了理论方法,并为分析实际实验现象以及设计实验方案提供了理论准备。为了放宽实验观察自发辐射产生相干效应的严苛条件,我们探讨了将菱形原子系统中间两个能级简并的要求去除,代之以一种“跷跷板”中间能级结构来制备自发辐射产生相干效应的模型,发现在这个模型中也能产生一些有意义的谱线调制效应。最后我们结合候选的原子系统进行了实验可行性分析,结果表明在消除Doppler效应的铷原子系统中,可以实验观察到自发辐射产生相干效应对共振荧光谱的调制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 量子信息的基本知识
• 1.1.1 量子纠缠
• 1.1.2 量子通信
• 1.1.3 量子计算
• 1.2 原子量子态的相干操控
• 1.2.1 原子相干和干涉效应
• 1.2.2 原子量子态相干操控
• 1.3 本文的主要工作
• 第二章 原子和相干场相互作用
• 2.1 原子和相干场相互作用的基本方程
• 2.2 各种原子相干现象
• 2.2.1 相干布居囚禁
• 2.2.2 电磁感应透明
• 2.2.3 慢光传输
• 2.3 本章小结
• 第三章 多能级原子和多模光场作用产生的原子相干和干涉现象及其应用
• 3.1 双电磁感应透明效应
• 3.2 菱形四能级原子构型和多模光场相互作用
• 3.2.1 模型与相互作用哈密顿量
• 3.2.2 四能级菱形原子系统缀饰态跃迁分析
• 3.2.3 菱形原子系统的运动方程和数值解分析
• 3.2.4 双电磁感应透明效应的讨论
• 3.3 利用双EIT 效应实现量子相位门
• 3.3.1 实现量子相位门的简单方案
• 3.3.2 实验可行性分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 非相干泵浦和自发辐射过程引入的原子相干和干涉现象
• 4.1 三能级Λ原子系统和非相干泵浦场、真空场相互作用主方程
• 4.2 主方程的一般稳态解
• 4.3 特定初始条件下主方程解析解
• 4.4 对比?? 型三能级结果以及推广到多能级系统
• 4.5 本章小结
• 第五章 多能级原子系统自发辐射产生相干效应对共振荧光谱的调制研究
• 5.1 系统模型、运动方程和共振荧光谱方程
• 5.2 共振荧光谱的数值解
• 5.2.1 中间能级简并情况
• 5.2.2 中间能级非简并情况：跷跷板结构
• 5.2.3 实验可行性分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文总结
• 6.2 前景展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A 三能级Λ系统旋转框架下另一种H0取法