光腔中原子系综产生的量子纠缠与量子相干

摘要

量子纠缠和量子相干被广泛地认为是量子力学的最基本的概念。虽然我们可以从经典的角度来解释相干性，但是纠缠不具有经典性，它展示的是非局域的相互作用。在这篇论文中，我们研究了由原子系综与腔场构成的系统的量子纠缠与量子相干特性。希望通过这项工作为连续变量系统产生纠缠提供现实可行的模型。
　　 首先，我们研究了囚禁于环行光腔中单个冷原子系综体系的量子纠缠与量子相干性质，这里假设原子系综中原子数N是有限大小的。由于环形腔有频率和偏振简并的两个相向传播模式，对于双A型冷原子体系，在满足拉曼双光子共振条件下，行波激光场的驱动和腔场的共同作用可导致冷原子系综发生同向和反向拉曼双光子激发，这两种双光子激发使得原子与光场的耦合依赖于原子的空间位置分布和原子数N的大小。我们发现，如果与腔模发生拉曼双光子激发的原子系综足够大以至于N→∞，即通常所指的热力学极限，两相向传播的腔模光场彼此间不存在一阶相干特性。但是，如果原子系综是有限大小，则两相向传播的腔模光场彼此间可存在一阶相干特性，这种相干特性与原子的空间分布和原子数的多少直接相关，这一特性可用于测量光晶格的长度。我们揭示出这一体系可实现广义Dicke模型，在这一有限大小的冷原子系综中可获得两个不相互正交的长寿命集体激发模式，两集体激发模的非正交性会使得体系具有两个Dicke相变点，两相变点的出现与原子数的多少和原子的空间分布密切相关。这种集体激发模的非正交会使得腔模光子具有超聚束特性，两腔模光子之间的相关特性比热光场强。通过计算两腔模输出光场的涨落的频谱分布，发现由于冷原子系综中所发生的同向和反向拉曼双光子激发，两腔模输出光场不同频带具有纠缠，并且原子系综的有限大小导致中心频带具有较强的纠缠特性。
　　 其次，我们研究了由光学机械腔与原子系综组成的相互作用体系中不同玻色模式之间的量子纠缠与量子相干特性，这里光学机械腔包含一个做微振动的腔镜，并且在光腔中放置规则排列的光学晶格。该系统包含两个正交极化子模，它们是光学晶格的激发子模和腔模的线性组合，还包含一个振荡镜模。通过适当调节振荡镜模与极化子模之间的失谐，我们发现一个极化子模与振荡镜模之间的一阶相干与其纠缠之间具有互补性，模式间产生的一阶相干越强，产生的纠缠越少。我们还发现如果两个极化子模都与振荡镜模以参量放大相互作用的方式耦合，那么在这两个相互独立的极化子模之间不产生纠缠。甚至当振荡镜处于衰减的压缩真空库中时，两个极化子模之间也不产生纠缠。进一步的研究表明只有当振荡镜模与一个极化子模以参量放大相互作用耦合，两个极化子模之间以线性混合相互作用耦合时，那么在非耦合的振荡镜模和极化子模之间才能产生纠缠。
　　 接着，我们提出了两种方案来研究如何结合光纤耦合光腔技术的发展，利用光腔中四个双A型热原子系综来确定性制备四模Cluster纠缠纯态。在第一个方案中，研究了放置于具有弱耦合的两双模环行光腔中(每一个光腔中放置两个热原子系综)热原子系综的多模纠缠性质，运用多步热库操控方法，通过选择驱动原子的激光脉冲的振幅和相对相位，在腔模的耗散作用下，可确定性地制备方形四模连续变量Cluster纠缠态。在第二个方案中，我们利用放置于具有弱耦合的四个远距离单模光腔耦合阵列中的四个双A型热原子系综来确定性制备四模线性Cluster纠缠纯态的方法，这里每一个光腔中放置一个热原子系综，每个原子系综用一序列激光驱动，每一序列激光包含八个不同的频率。利用我们提出的单步热库操控方法，通过选择驱动原子的激光脉冲的振幅和相对相位，借助于腔模的耗散作用，将四个原子系综确定性地制备于线形四模连续变量Cluster纠缠纯态。这种方案不仅可以扩展到制备其它类型的Cluster态，如方形或者T形Cluster态，还很容易扩展到用Ⅳ个原子系综产生N模Cluster态，仅仅需要调节激光的拉比频率和相位，而且这种空间不同节点的Cluster态对于Quantum Teamwork的实现具有重要的意义。
　　 最后，我在完成了以上研究工作之后提出了对量子相干与量子纠缠研究现状的一点思考和展望。