多相干态叠加的非经典效应及其制备与退相干

论文摘要

近年来,光场非经典量子态研究重新吸引了许多研究者的注意,因为他们所发挥的作用远远超出了传统量子光学范畴,在当前最引人注目的研究领域,如原子和分子的激光脉冲,玻色―爱因斯坦凝聚和原子激光,以及量子信息理论中,都起到了非常重要的作用。已经证明量子保密通信和量子计算与光场量子态的非经典效应及量子态制备密切相关。在量子密钥的生成与分发过程中,单光子编码实验需要能够发射呈现反群聚效应的性能良好的单光子源;量子态的压缩特性能够使量子噪声低于标准的量子涨落极限,有利于提高对微弱信号探测的信噪比。量子态所对应的Wigner函数与量子态的密度矩阵或波函数一样包含量子态的概率分布、相位等信息,因此计算量子态的Wigner函数是获得量子态演化信息的重要方法。此外,非经典光场是产生量子纠缠的一个重要前提,从而可以利用量子光学系统实现量子信息处理。基于光场量子态非经典效应在诸多研究领域的重要应用,本论文由量子力学的态叠加原理出发,通过光场的多相干态叠加,构造了新的非经典量子态,并对其各种非经典特性、量子态的制备及退相干进行了系统研究。本文的主要研究工作概括如下:研究了真空态在非经典态统计上的作用。通过在具有π/2相移的两个相干叠加态上增减真空态,构造了新的叠加态。研究了其非经典特性,如光子数分布、正交压缩、亚泊松光子统计、Wigner分布函数的负值性和相位概率分布。结果表明,基于不同真空态系数,振幅α值和相对相位φ,可以产生各种能够改善信息传输的经典态和非经典态,所构造的新叠加态清楚地展现出与通常两个相干态叠加截然不同的量子干涉特征。选择适当的真空态叠加系数,可以找到具有最大压缩度的非经典态和最量子干涉的叠加态。椭圆态的构造及其制备。由圆态的强非经典特性出发,构造了椭圆态,它是N个振幅呈椭圆变化的相干态平均分布在相空间的叠加。通过研究椭圆态光子数分布,亚泊松光子统计,正交压缩和Wigner函数等非经典特性发现,构造的新态呈现亚泊松光子分布,无穷正交压缩,相干态之间的干涉条纹在Wigner函数绘景中构成Fock态的椭圆环。基于囚禁离子质心运动,通过演化算符的幺正演化和将离子态矢注入到上电子态|↑上,并对上电子态进行测量,提出了产生等间距相干态椭圆叠加的实验方案。研究了奇偶椭圆态的Pegg-Barnett相位特性和量子脱散。借助于Pegg-Barnett厄密相位算符理论和数值计算方法,研究了薛定谔猫态的相位概率分布,分析了相位方差、数算符和相位算符的压缩特性。结果表明,随着叠加态中相干态数量的增加,Pegg-Barnett相位概率分布对各成分之间的量子干涉越来越敏感;在一定取值范围内,各个参数在数算符和相位算符分量上均存在压缩效应;随平均光子数的增加,相位不确定性更小;椭圆态的相位分布不再像圆态一样归一;椭圆态在长半轴方向脱散最慢,也就是这个方向的干涉更容易观察到。非线性椭圆态构造。构造了奇偶非线性圆态和非线性椭圆态,研究了在非线性函数f（?） =√n（?）时的非经典特性。结果表明它们均呈现振荡的光子数分布和Winger分布的负值。同时比较分析了对非线性圆态和非线性椭圆态的干涉效应。所构造的新态表现出与标准圆态、标准椭圆态截然不同的非经典性质,当叠加的相干态数量较少时,非线性椭圆态表现出比标准的椭圆态更加显著的量子干涉。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 光场非经典态研究进展
• 1.2 量子态的非经典判据
• 1.2.1 亚泊松光子统计
• 1.2.2 光场的压缩效应
• 1.2.3 准概率分布函数
• 1.2.4 相位特性
• 1.3 量子态的退相干
• 1.4 本文的研究目的和主要内容
• 第2章 真空态在非经典态统计学上的作用
• 2.1 真空态的系数和亚泊松光子统计
• 2.2 正交压缩度
• 2.3 Wigner 函数
• 2.4 Pegg-Barnett 相位特性
• 2.5 本章小结
• 第3章 椭圆态的非经典统计性质及其制备
• 3.1 奇偶椭圆态定义
• 3.2 Q 参数
• 3.3 椭圆态的正交压缩度
• 3.4 椭圆态的Wigner 分布函数
• 3.5 椭圆态的制备
• 3.5.1 离子-激光相互作用
• 3.5.2 囚禁离子中椭圆态的生成
• 3.6 本章小结
• 第4章 多相干态叠加的 P-B 相位特性及其退相干
• 4.1 奇偶圆态的相位性质
• 4.1.1 相位概率分布
• 4.1.2 奇偶圆态的相位起伏
• 4.1.3 相位压缩
• 4.2 椭圆态的相位特性
• 4.3 相空间中椭圆态的退相干
• 4.4 本章小结
• 第5章 非线性椭圆态及其非经典效应
• 5.1 非线性相干态的描述
• 5.2 非线性椭圆态的构造
• 5.3 非线性椭圆态的非经典性质
• 5.3.1 振荡光子数分布
• 5.3.2 Wigner 函数的负值性
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历