多色电磁感应透明与量子纠缠态的制备

论文摘要

原子相干与量子干涉效应是激光物理和量子光学领域的重要前沿研究课题之一。电磁感应透明是利用原子相干与量子干涉效应消去介质对光的吸收的现象。理论和实验工作都表明电磁感应透明现象可以用来减慢光的群速度甚至使光束完全停下来。在这种原子介质中光子间的相互作用的强度可以比普通介质中的要强几个数量级。因此,电磁感应透明现象在慢光、弱光强下的非线性和量子信息中的光存储和释放过程中有着重要的作用。量子纠缠反映的是两个或多个量子系统之间所存在的非局域的量子关联。量子纠缠涉及实在性、定域性、隐变量以及测量理论等量子力学的基本问题,并在量子计算和量子信息的研究中起着重要的作用。对于纠缠态性质的研究可以用于验证量子力学的基本原理,而纠缠态本身是量子信息处理的基本资源,因此如何制备纠缠态受到人们的广泛关注。另外,由于系统与周围的环境的相互作用而导致的退相干的影响,使得所制备的纠缠态十分脆弱而难以长时间保存。因此,基于现有的实验条件和技术,如何制备出抗环境干扰能力强、稳定的、高纠缠度的纠缠源是人们感兴趣的问题。本文在多色场驱动的电磁感应透明和量子纠缠态的制备方面做了有益的探索。论文的主要创新性结果如下:1.关于多色电磁感应透明方面的工作:多色电磁感应透明方面的第一个工作,我们研究了三色场驱动的三能级A型原子系统对单色弱探测场的吸收和色散,考察了吸收和色散谱对驱动场的振幅和相位的依赖性。我们采用数值方法计算吸收和色散谱。除了能够获得多电磁感应透明外,吸收和色散谱还有两个主要特征。第一,通过调节驱动场的振幅或者相位,在与探测场频率共振的频率处是电磁感应透明还是吸收是可以控制的。第二,只要我们固定驱动场的两个边频部分相对于中心频率部分的相对相位的和而改变两个相对相位各自的值,吸收和色散谱保持不变。多色电磁感应透明方面的第二个工作,我们研究了由一对等频率差的双色场驱动的三能级级联型原子系统中的双光子吸收现象。在我们的计算中,一个双色场的高频部分的频率和另一个双色场的低频部分的频率满足双光子共振条件。我们采用谐振展开和逆矩阵方法计算双光子跃迁几率。主要结果如下:当满足双光子共振的两对场的相对相位的和相等时,双光子吸收被显著地抑制原子系统对双光子吸收透明。产生双光子透明的物理机制是:由于动态斯塔克分裂,由两对满足双光子共振的场所引起的双光子跃迁所经历的两个不同的修饰态之间相差相位π。因此,两个双光子跃迁通道间的相消干涉导致了双光子吸收的抑制。2.关于量子纠缠态制备方面的工作:量子纠缠态制备方面的第一个工作,我们分析了有传统非相干泵浦的量子拍激光和有相干场驱动的量子拍激光,发现在这两种激光系统中都可以产生工作在远高于阈值以上的纠缠的亚泊松光。在数值计算和结果分析时,我们采用了组合模方法引入了两个激光模的和模和差模。对有传统非相干泵浦的量子拍激光和有相干场驱动的量子拍激光,差模都是从相互作用中退耦合并且处在各自的真空态,而和模则是工作在远高于阈值以上并具有亚泊松光子统计。量子拍激光与和模强度的噪声抑制的联合导致了两束亮光间的纠缠和各个光束的亚泊松光子统计。量子纠缠态制备方面的第二个工作,我们提出了在腔电动力学中利用暗态绝热演化方法制备一个两原子纠缠态和一个N原子W态的方案。这个方案的第一个优点是完成这个方案的时间不需要精确地控制。这个方案的第二个优点是来源于腔衰减这部分的退相干可以被抑制掉,因为在整个实施绝热演化和控制原子-腔相互作用的过程中腔模总是没有被激发的。量子纠缠态制备方面的第三个工作,我们提出了一个腔电动力学中的基于拉曼相互作用的利用纠缠交换实现的未知原子纠缠态的纠缠浓缩方案。在这个方案中我们从一对两原子的部分纠缠态中几率地获得了一个两原子的最大纠缠态。由于两个原子和腔场以及一个外加驱动场的拉曼相互作用,我们消去了原子自发辐射的影响。同时,由于在相互作用过程中腔模是虚激发的,我们可以忽略源于腔模的衰减和热场的退相干的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 第二章 理论基础
• 2.1 光与物质相互作用的基本理论
• 2.1.1 电磁场的量子化
• 2.1.2 光场相干态与压缩态
• 2.1.3 光与物质相互作用的半经典理论
• 2.1.4 光与物质相互作用的全量子理论
• 2.1.5 缀饰态
• 2.2 原子相干与量子干涉效应
• 2.2.1 相干布居捕获
• 2.2.2 电磁感应透明
• 2.3 量子纠缠和纠缠判据
• 2.3.1 量子纠缠态
• 2.3.2 连续变量纠缠
• 2.3.3 连续变量纠缠的判据
• 第三章 多色电磁感应透明
• 3.1 引言
• 3.2 三色电磁感应透明的振幅和相位控制
• 3.2.1 模型和方程
• 3.2.2 振幅和相位对电磁感应透明的影响
• 3.3 三能级级联系统中用一对双色场实现的双光子吸收的抑制
• 3.3.1 模型和方程
• 3.3.2 振幅和相位对双光子吸收的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 量子拍激光中明亮的压缩纠缠光的产生
• 4.1 引言
• 4.2 纠缠判据
• 4.3 传统泵浦的量子拍激光中压缩的纠缠光的产生
• 4.4 相干驱动的量子拍激光中压缩的纠缠光的产生
• 4.5 本章小结
• 第五章 光腔中原子纠缠态的暗态绝热演化产生方案
• 5.1 引言
• 5.2 模型和方程
• 5.2.1 两原子最大纠缠态产生方案
• 5.2.2 N原子W态产生方案
• 5.3 实验可行性分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 基于拉曼相互作用的利用纠缠交换实现的未知原子纠缠态的浓缩
• 6.1 引言
• 6.2 模型和方程
• 6.3 方案的实验可行性分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 工作总结与展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 完成工作目录
• 致谢