腔QED中加宽原子的自发辐射和量子纠缠态的研究

摘要

腔量子电动力学 (腔 QED) 是传统量子光学研究的主要体系之一，其中蕴涵的丰富物理内容引起了人们广泛的研究，但作为量子信息处理的物理系统，由于其与环境难以避免的相互作用，原子的自发辐射和腔的泄漏导致系统的退相干，成为这一体系最初实现量子信息处理的主要障碍。最近的研究成果表明，腔 QED 在大失谐条件下，由于系统对环境的影响不敏感，腔场与原子之间没有能量交换，可以使系统的消相干时间大大增加，另外，通过精巧的特殊设计，可以使消相干成为量子信息处理的有利因素，这两方面的进展使腔 QED 成为实现量子信息处理最有前途的方案之一。 本文主要研究腔 QED 中原子的自发辐射和大失谐腔 QED 中的量子信息过程两个方面，主要内容有： 1．微液滴表面均匀加宽原子或分子的自发辐射微米量级的球体用固体或液体都容易在实验上制备，作为腔的微球体的量子电动力学问题引起了人们的广泛注意并取得了很多进展，在这一光学腔中，很多光学现象得到了深入的研究，如荧光、激光、各种非线性光学过程等。但燃料分子在微液滴表面的自发辐射实验结果长时间没有得到解释。我们详细讨论加宽原子在球腔中的自发辐射问题，通过球腔的准正则模的展开，求出了介质球腔场的态密度，在全量子理论的框架中求解二能级原子与电磁场相互作用的基本方程，考虑到局域场修正，得到了表面吸附分子在球体表面上的自发辐射几率随球半径 a 变化的解析表达式，它仅仅包含 1/a 和1/a<'2>两个分量，从而完满解释了实验结果。在这一过程中，必须考虑原子偶极矩的取向自由度和介质中局域场的修正，同时我们发现，微液滴表面分子的荧光实验可以用来测量局域场的修正和分子的谱加宽。 2．大失谐腔 QED 中腔和原子之间量子信息的相互转移和连续变量纠缠态的非经典效应大失谐情况下的 Janeys-Cummings 模型是实现量子信息技术的重要候选者。我们研究了大失谐情况下 Janeys-Cummings 模型中腔与原子之间的信息转移，在原有研究的基础之上，我们通过原子被腔作用后再对原子施加经典场脉冲，可以成功实现腔场和原子之间量子信息的相互转移，尤其是当原子纠缠信息转移到腔场态中，便制备出连续变量纠缠态。这一过程可以推广到多原子和多个腔的情况。 连续变量体系的量子信息处理，在很多方面具有分立变量无可比拟的优势，它不需要单光子源，也不需要单光子计数器，只需零拍探测，因此有较大的成功几率和有较高的效率，可通过传统量子光学的技术去研究这一体系的量子信息过程。通过一对类 EPR 算符的总起伏，提出了一种简单的双模．连续变量纠缠态的判据，按照 Wooters 提出的 Concurrence 思想定义了双模连续变量纠缠态的纠缠度，并通过几个具体的例子说明了这种纠缠度简单实用的优点，尤其我们证明了广义 EPR 纠缠态一定是双模压缩态，但纠缠相干态不存在任何双模压缩性质，表明非经典关联的纠缠态与其场的其它非经典效应可能存在一定的关系，通过研究纠缠相干态的非经典效应，显示纠缠与非经典效应之间存在密切的关系，对某些态甚至是确定的对应关系。 3．强经典场驱动的大失谐腔 QED 中量子信息过程的研究量子态的隐形传送理论和实验研究对量子信息学的发展起到了极大的推动作用，量子纠缠态是量子信息处理过程中的基本资源，如何产生、存储量子纠缠态成为量子信息技术中的关键。我们研究了经典场驱动的大失谐腔QED 体系，整个系统对腔的损耗和与环境的相互作用不敏感，是一个理想的量子信息处理体系。 我们提出了通过经典场驱动的腔 QED 实现任意两原子态的可控量子隐形传送方案，这一方案需要两个腔作为传送者和接受者，另外有一个控制者，系统通过控制者的 Hadmard 操作，实现量子信息的控制隐形传送．该方案不需进行 Bell 基的直接测量，成功率可以达到 1，并可以推广到 N 个控制者，便于实现量子通信网络。当腔中存在多个二能级原子时，系统的有效哈密顿量与 Ising 模型完全相同，实现了 Ising 模型在腔 QED 中的模拟，其最大优点是相邻原子之间的耦合常数可以人为地进行调整，从而对 Ising 模型的研究可以进一步深化，也为固态量子信息处理在实验上寻找量子信息处理体系提供了可资借鉴的参考． 两二能级原子的四个最大纠缠态即 Bell 态进入这一体系中，不论相互作用时间的长短，任何时候取出这些态都不会改变它们的最大纠缠特性，这一系统可使初始处于 Bell 基的两原子始终处于最大纠缠态，其中两个 Bell 基是系统的本征态，另外两个 Bell 基仅对其中一个原子作局域操作，仍然保持最大纠缠态，从而实现了最大纠缠态的简单存储。 多粒子真正纠缠态是最近在量子隐形传态中构造出的一种新的多体纠缠态，是纠缠态研究中的一个新进展，但以往的研究只能构造出偶数个粒子的多粒子真正纠缠态，我们通过可控的量子隐形传态补充了构造多体真正纠缠态的思想，建构了奇数个粒子的多粒子真正纠缠态，我们用广义整体纠缠度作为度量标准，将GHZ态和 W 态与该多粒子纠缠态做了比较，表明这一纠缠态是比 W 态和 GHZ 态更大的纠缠态。 把两对最大纠缠原子 ( AB 和 CD ) 重新组合，使 AC 和 BD 分别进入我们所研究的腔中，适当选择作用时间，可以很容易的产生最近构造出的真正多体量子纠缠态，从而提出了在实际物理系统中实现多粒子真正纠缠态的第一个方案，为今后实验上产生这种多粒子纠缠提供了可选择的物理体系，也将促进多粒子量子信息处理的研究。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1腔QED的发展

1.2原子的自发辐射

1.3场与原子相互作用的全量子理论

1.4 Rabi振荡和原子态的操控

1.5量子隐形传态和多原子真正纠缠态

1.6全文的内容安排

参考文献

第二章微球体表面原子或分子的自发辐射

2.1引言

2.2微腔的特点和原子自发辐射的基本规律

2.3微介质球中电磁场的态密度

2.3.1电磁场的准正则模(QNM's)

2.3.2场的态密度

2.4基本方程及其解

2.5应用于球腔情况和液滴表面分子荧光实验结果的解释

2.6小结

参考文献

第三章腔QED中连续变量纠缠态的产生及其非经典性质

3.1引言

3.2原子与腔场之间的量子信息转移

3.2.1大失谐Janeys-Cummings(J-C)模型中态的时间演化

3.2.2单个原子和单个腔之间量子信息之间的转移

3.3利用原子信息到腔场上的转移产生双模连续变量纠缠态

3.4双模连续变量量子纠缠态的一个判据

3.4.1 EPR类算子的总起伏和连续变量纠缠态的充分条件

3.4.2纠缠度的定义

3.4.3几个具体例子的应用

3.5连续变量纠缠态与非经典效应

3.5.1|ψ1〉=μ|α,α〉+v|-α,-α〉态的非经典效应

3.5.2 |ψ2〉=α|α,α〉+be2φ|α*,α*〉态的非经典效应

3.6小结

参考文献

第四章量子隐形传态和真正多体纠缠态的产生

4.1引言

4.2原子与腔场相互作用有效哈密顿量的推导

4.3 Ising模型的腔QED模拟和态的时间演化

4.4双原子最大纠缠态的保持

4.4.1两原子初始处于|ψ(0)〉=|Ф+〉

4.4.2两原子初始处于|ψ(0)〉=|φ-〉

4.4.3两原子初始处于|ψ(0)〉=|ψ+〉

4.4.4两原子初始处于|ψ(0)〉=|ψ-〉

4.5任意二能级双原子纠缠态的控制量子隐形传输

4.5.1对二能级两原子纠缠态的控制量子隐形传输

4.5.2对一个未知三原子GHZ态的量子隐形传输

4.6真正多体纠缠态的构造和制备

4.6.1真正的多量子比特纠缠和控制量子隐形传输

4.6.2四体真正纠缠态的腔QED实现

4.7小结

参考文献

第五章总结和讨论

致谢

攻读博士学位期间发表和完成的学术论文