原子相干效应与纠缠光产生的研究

论文摘要

量子纠缠反映的是两个或多个量子系统之间存在的非定域、非经典的强关联,它是量子力学最显著的特征之一。近年来量子纠缠的制备及其应用成为了量子信息科学的前沿领域。这不仅因为它可以用来验证实在性、定域性、隐变量以及测量理论等量子力学的基本问题,而且在量子信息处理中如量子隐形传态、量子密集编码、量子密钥分配等方面有着重要的应用。另一方面,原子相干效应是量子光学和激光物理学的重要课题,一直以来都是科学研究的热点之一。它导致了一系列有趣的物理现象,如相干布居捕获、电磁诱导透明、非线性过程增强等,这些现象对基础物理的发展和实际的应用都有着重要的价值。基于原子相干效应而制备稳定的、抗干扰能力强的、高纯度的纠缠源是本文的研究主题。本文创新性工作包括以下三个方面:首先我们分析了三能级Λ型和V型四波混频系统中的纠缠特性。在此混频系统中,两外加驱动场分别被应用到两个偶极允许的跃迁上,且在该跃迁上产生两腔模场。我们利用缀饰原子压缩变换模方法分析了纠缠产生的物理机制,在此表象中存在着两个离散通道。缀饰原子通过两离散通道同时吸收来自于一对压缩变换模的激发光子。正是因为双通道的存在,纠缠大大地增强。适当地选择激光场失谐与强度的比值,最好获得的态接近原始的EPR纠缠态。该方案考虑了原子的自发辐射,因此可适用于光频范围。接着我们提出EPR光纠缠可在微波控制的四波混频系统中获得。在此系统中,控制场和产生场有着五个量级的频率差。作为例子,我们考虑了一个三能级Λ型原子系综。其中,一个微波场共振地耦合两个亚稳态,一个激光场共振地耦合其中的一个亚稳态和激发态。通过原子从激发态到另一个亚稳态的直接跃迁,作为腔模的一对内边带被放大。该方案在缀饰原子压缩变换模表象中进行分析。适当地选择微波场和激光场的强度比值,一对类EPR算符的方差和接近于零,这对应着原始的EPR纠缠。最后我们提出一个制备N比特纠缠簇态的可供选择方案。我们应用一个频率可调的激光场照亮囚禁在线性泡利阱的所有热离子。通过选择激光场的调制系数,我们可得到离子内部态和外部态间的耦合和退耦合的可选择性机制。基于这一选择性机制,高度纠缠的簇态可以获得。在此方案中,振动模式是虚激发的,因此方案对声子发热不敏感。这导致了高保真的量子信息过程。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 第二章 基本理论
• 2.1 光与物质相互作用的半经典描述
• 2.1.1 电偶极相互作用及偶极近似
• 2.1.2 相互作用哈密顿及旋波近似
• 2.1.3 二能级原子与单模光场的相互作用
• 2.1.3.1 裸原子描述
• 2.1.3.2 缀饰原子描述
• 2.2 光与物质相互作用的全量子描述
• 2.2.1 光场量子化
• 2.2.1.1 光场的量子化处理
• 2.2.1.2 光场的数态和相干态描述
• 2.2.2 相互作用哈密顿
• 2.2.3 J-C 模型
• 2.2.4 自发辐射
• 2.3 原子相干效应
• 2.3.1 相干布居捕获
• 2.3.2 四波混频
• 2.4 光场的压缩态压缩变换
• 2.5 量子纠缠
• 2.5.1 量子纠缠的概念
• 2.5.2 分离变量纠缠连续变量纠缠
• 2.5.3 连续变量纠缠判据
• 第三章 三能级四波混频系统中的纠缠光增强
• 3.1 引言
• 3.2 模型与方程
• 3.3 量子涨落计算
• 3.4 结果讨论与分析
• 3.5 本章小结
• 3.6 附录
• 第四章 利用微波控制的四波混频产生 EPR 光纠缠
• 4.1 引言
• 4.2 模型与方程
• 4.3 主要结果
• 4.4 本章小结
• 第五章 在多囚禁离子系统中实现纠缠簇态
• 5.1 引言
• 5.2 模型与方程
• 5.3 实验可行性分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 完成工作目录
• 致谢