缀饰态表象下光子回波的动力学分析

论文摘要

进入新世纪，光与物质相互作用的量子特征将成为信息科学中的基本问题，这其中一个更基本的问题是探索新的技术以实现对任意量子态的存储和提取，而对于量子态存储和提取主要依赖的理论依据之一是瞬态相干光学过程中的光子回波。在目前人们已进行的研究基础上，为更进一步将光子回波技术应用于光量子信息存储，我们从量子干涉角度来分析光子回波的量子信息存储和提取信息的动态过程，利用缀饰态理论对二能级体系的光子回波机理进行了详尽的分析，并且从理论上分析了采用Stark啁啾快速绝热跟随技术来实现光子回波。论文主要分为三部分：第一部分对二能级体系进行了详细的量子力学描述；第二部分对Stark啁啾快速绝热跟随技术的物理思想进行了分析；第三部分研究了缀饰态表象中光子回波的动态过程以及利用绝热跟随技术实现光子回波。第一部分二能级体系中的量子力学描述采用全新的表述方式——用缀饰态表象的波函数来表述裸态系统的变化规律——给出了原子系统部分基本物理量的表述形式，如跃迁几率、密度矩阵元、布洛赫矢量等。从这些全新的表述形式中，挖掘出了更深层的物理内涵。最后，用这种方式分析了常见的π脉冲、2π脉冲以及π／2脉冲的物理机制。第二部分分析Stark啁啾快速绝热跟随技术的物理思想采用了能级交叉技术和缀饰态理论分析了Stark啁啾快速绝热过程，该过程使用了两束激光脉沖：一束是近共振的泵浦脉冲，把粒子从基态驱动到激发态；另一束为远离共振的强Stark脉冲，移动着能级|1>和|2>，形成了透热态能级的两个交叉点。通过选择两脉冲之间的不同延迟时间和泵浦场跃迁的不同净失谐量△，将在能级之间产生不同的布居转移情况：①当△≠0，适当选择脉冲延迟时间，使得一个交叉点附近进行绝热演变，另一个交叉点附近进行透热演变，这样一个绝热一透热的过程实现了两能级之间粒子布居的完全转移：②当△≠0，通过数值计算得出，采用半—SCRAP技术此时将在二能级系统中形成稳定的最大相干叠加态，并且其稳定性不随泵浦场和Stark场峰值强度的变化而变化。第三部分缀饰态表象中光子回波的动态分析以及利用绝热跟随技术来实现光子回波在这部分，利用第二章推导的缀饰态理论，以全新的表示方式详尽地分析了高斯脉冲作用下的光子回波过程，对光与原子相互作用过程给出了清晰的物理描述。利用布洛赫矢量方法讨论了光场与原子系统相互作用中的动态过程。分别讨论了以下三种情况：①完全共振时，整个过程进行的都是解析分析，对光子回波过程中信息的写入和读出的演化经过都给出了清晰的物理解释；②存在净失谐量时，通过数值计算和数值模拟，得出：在入射脉冲面积不变的情况下，光子回波的强度会减小，并且会随着失谐量的增加而越来越小，直至不会出现光子回波；③从理论上数值分析了利用绝热跟随技术也能实现光子回波，利用该技术，无需考虑入射脉冲的面积，这为实验中得到光子回波提供了一种更为简便的方法，也为进一步研究光子回波开辟了一条新的道路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• §1.1 研究现状和进展
• §1.2 本文的工作
• 第二章 二能级体系中的量子力学描述
• §2.1 二能级体系中的哈密顿量在不同表象下的表述
• §2.1.1 薛定谔表象和相互作用表象
• §2.1.2 旋转变换
• §2.1.3 缀饰态表象
• §2.2 缀饰态表象中基本物理量的表述
• §2.2.1 几率振幅和密度矩阵元
• §2.2.2 绝热条件
• §2.2.3 布洛赫矢量
• §2.3 π脉冲、2π脉冲和π/2脉冲
• §2.3.1 π脉冲和量子干涉
• §2.3.2 2π脉冲和自感应透明效应
• §2.3.3 π/2脉冲和最大相干
• §2.4 哈密顿方法和极化强度
• §2.5 龙格-库塔（Runge-kutta）法
• §2.6 本章小结
• 第三章 Stark啁啾快速绝热跟随技术的物理思想
• §3.1 引言
• §3.2 理论分析与计算
• §3.2.1 缀饰态理论和能级交叉技术
• §3.2.2 粒子布居的完全转移
• §3.2.3 最大相干态的制备
• §3.3 结论
• 第四章 二能级系统光子回波在缀饰态表象中的动态分析
• §4.1 引言
• §4.2 共振情况下光子回波的动力学分析
• §4.3 非共振情况下光子回波的动力学分析
• §4.4 结论
• 第五章 利用绝热跟随技术实现光子回波
• §5.1 引言
• §5.2 绝热跟随技术实现光子回波
• §5.3 结论
• 第六章 全文总结和展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的研究成果