原子—光场相互作用系统中的量子纠缠

论文摘要

量子纠缠已经成为量子计算和量子信息处理过程中的不可或缺的物理资源。量子纠缠态的制备、保持与调控是实现量子计算与量子信息处理的关键问题.本文研究原子与光场相互作用系统中的量子纠缠,考察原子的相干性、双光子过程中的Stark位移、原子跃迁频率之间的失谐量等对原子之间、光场之间、原子与光场之间的量子纠缠的影响,寻找制备高纠缠度、长寿命纠缠态的最佳系统参数条件,得到了一系列有创新意义的结果。第一章阐述原子-光场相互作用的基本理论和量子纠缠的基本理论。第二章研究双光子和单光子双JC模型中的纠缠突然死亡和纠缠持续现象。在双光子双JC模型中,考察Stark位移对原子纠缠和腔场纠缠的影响,研究用Stark位移控制原子纠缠的可能性。结果发现:忽略Stark位移时,原子纠缠出现突然死亡现象;考虑Stark位移时,此系统中的两原子不会出现退纠缠态,特别是当Stark位移参数取值较大时,两原子能保持稳态纠缠。在单光子双JC模型中,两原子与各自相互作用的光场之间经由不同的耦合常数相互作用,结果发现,耦合常数的不同使得两原子出现了长时间的纠缠。第三章研究两个相同二能级原子与单模热光场耦合时两原子间的纠缠动力学,结果表明当腔场温度很高（即模热光场的平均光子数取很大的值）时,原子的初始相干性导致原子纠缠显著增强。通过调节系统的初始参量,例如原子的初始相干程度、相对相位以及单模热光场的平均光子数,可以调控两原子间的纠缠程度。第四章研究二项式光场与级联三能级原子的量子纠缠,讨论了光场与原子的初始参量对其量子纠缠性质的影响。结果表明,利用二项式光场的特性,可以揭示从相干态到数态之间的所有态光场与三能级原子相互作用时的量子纠缠性质。选择适当的系统参数可以制备稳定的光场-原子qutrit纠缠态。第五章讨论一个运动的∨型三能级原子与关联的双模SU（1,1）相干态场相互作用系统中的量子纠缠。结果发现系统中的量子纠缠动力学极大依赖于场模结构参数p和模间光子数之差q。通过选择合适的系统参数和相互作用时间,可以制备原子-光场的qutrit最大纠缠态。此外,原子与双模SU（1,1）相干态场之间纠缠的增强或减弱总是与双模SU（1,1）相干态场的模间纠缠相反,两种纠缠相互制约。第六章对全文进行了总结和展望。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 原子-光场相互作用的基本理论
• 1.1.1 原子-光场相互作用的半经典理论
• 1.1.2 原子-光场相互作用的量子理论
• 1.2 量子纠缠理论
• 1.2.1 量子纠缠的历史回顾及研究意义
• 1.2.2 量子纠缠的定义及性质
• 1.2.3 量子纠缠的度量
• 第二章 双JC模型中的纠缠突然死亡和纠缠持续
• 2.1 双JC模型中Stark位移对量子纠缠的影响
• 2.1.1 双JC模型的哈密顿量
• 2.1.2 两原子初态|Ψ（0）〉=cos（θ/2）|eg〉+sin（θ/2）|ge〉下的原子纠缠以及腔场纠缠
• 2.1.3 两原子初态|Φ（0）〉=cos（θ/2）|ee〉+sin（θ/2）|gg〉下的原子纠缠以及腔场纠缠
• 2.1.4 初始原子纠缠度对原子纠缠的影响
• 2.1.5 结果与讨论
• 2.2 双JC模型中原子的纠缠突然死亡和纠缠持续
• 2.2.1 模型
• 2.2.2 原子的纠缠突然死亡与纠缠持续
• 2.2.3 本节小结
• 第三章 TC模型中原子纠缠的相干调控
• 3.1 TC模型中的原子相干与量子纠缠
• 3.1.1 理论模型
• 3.1.2 数值结果及讨论
• 3.2 原子相干性对双光子过程中原子纠缠的调控
• 3.2.1 理论模型
• 3.2.2 数值结果及讨论
• 3.3 本章小结
• 第四章 二项式光场与级联三能级原子的量子纠缠
• 4.1 与级联三能级原子相互作用的二项式光场的量子特性
• 4.1.1 模型及理论推导
• 4.1.2 与级联三能级原子相互作用的二项式光场的量子特性
• 4.2 二项式光场与级联三能级原子的量子纠缠
• 4.2.1 系统模型与光场的约化密度矩阵
• 4.2.2 二项式光场与级联三能级原子的纠缠量度
• 4.2.3 数值计算与结果讨论
• 4.3 本章小结
• 第五章 运动原子与双模SU（1,1）相干态场的量子纠缠
• 5.1 模型
• 5.2 运动的三能级原子与双模SU（1,1）相干态场的量子纠缠
• 5.3 双模SU（1,1）相干态场的模间纠缠
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间完成的论文
• 致谢