二维耦合腔阵列中单光子传输特性的理论研究

摘要

近几年来，随着量子网络的迅猛发展，很多单光子层面的量子光学器件因此而产生，尤其是在量子路由器方面。因为它是量子网络的核心组分之一，科学研究者们在实验和理论上提出了一些方案来实现量子路由器。耦合腔阵列是由一组低损耗腔组成，光子会在腔与腔之间发生隧穿，其非线性色散关系会导致新的物理现象产生。耦合腔阵列已经成为量子光学中非常重要的模拟工具，它为光与物质的相互作用提供了一个可靠的实验平台。因此，我们主要是基于腔阵列来研究单光子散射的传输特性。　　本文将以两种不同的理论模型展开。第一种理论模型是研究两个散射器在T-型耦合腔阵列中周期性地调控单光子的传输特性，解析得到了单光子的反射率、透射率和转移率，并探究了第二个原子的位置和耦合强度对于单光子散射的相干控制。结果显示单光子的转移率会随着第二个原子的位置而发生显著地变化，并且当第二个原子处于某一位置时单光子的转移率最大值可达到1，这突破了以往路由器的限制。第二个原子与腔之间的耦合强度会正向地影响单光子反射率和转移率的谱宽。而对于转移率，耦合强度对于单光子转移率的影响根据原子位置的不同而呈现不同的规律。第二种理论模型是在耗散情况下研究单光子在X-型耦合腔阵列的传输特性。利用准玻色子方法来研究环境对于体系的影响，它的本质是消除环境的自由度并且用有效的哈密顿量来重新描述环境的影响。当环境与体系之间存在弱耦合时，我们可以把环境对于体系的影响看作是一个常数，准玻色子方法可以简化计算。解析得到了单光子的反射率、透射率以及转移率的表达式，研究了耗散对于单光子相干控制的影响。结果显示当单光子的入射能量与原子的跃迁能量共振时，腔耗散可以明显地减少总的转移率并且会提高单光子在耦合腔阵列中的概率。在大失谐处，单光子可以被完全限制在耦合腔阵列的入射通道中，腔的弱耗散对单光子的全透射几乎没有影响。另外，耦合强度也会影响单光子量子路由器的工作性能。

目录

声明

第一章 引言

1.2 研究动机和研究内容

第二章 两个二能级原子周期性调控单光子传输

2.1 理论模型及解析结果

2.2 通过调节第二个原子的位置来有效地控制单光子传输特性

2.3 腔—原子耦合强度对单光子传输特性的影响

2.4 腔—腔耦合强度对单光子路由性能的影响

2.5 小结

第三章 T-型耦合腔阵列中两个三能级原子对单光子传输的相干控制

3.1 理论模型及解析结果

3.2 经典场的拉比频率对于单光子的可操控传输

3.3 经典场的拉比频率对于单光子传输的影响

3.4 小结

第四章 耗散情况下单光子传输的相干控制

4.1 耗散情况下单光子在X-型耦合腔阵列中的理论模型

4.2 耗散对于单光子传输特性的影响

4.3 原子与腔之间的耦合强度对于单光子传输特性的影响

4.4 小结

第五章 总结

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

在学期间的研究成果

致谢