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量子纠缠是一种量子体系之间的非局域关联,没有经典对应,它在量子信息处理和量子计算中处于核心的地位,现在量子纠缠已经被认为是一种量子信息源。因此,纠缠的产生引起了广泛的关注,诸如腔QED,离子阱,核磁共振,量子点等多种物理系统被用来产生纠缠。然而,我们知道,一个真实的物理体系往往被它所处的环境影响着,这种影响导致了退相干,这是当前量子信息过程中主要的困难之一。另一方面,在最近几年人们对于由两个量子比特组成的联合量子体系的动力学演化过程产生了浓厚的兴趣。特别地,人们发现对于一个处于某一环境中的量子比特相干性的消失是渐进的,但是对于两个纠缠在一起并处于一定环境中的两个量子比特体系,纠缠的消失并非渐进的而是突然地消失,这种纠缠的突然消失称作“量子纠缠的突然死亡”。最近,人们在光子对和原子系统实验里都观察到了这一现象在。另外,有人也提出了一个与此相关的现象一“纠缠的突然产生”。在量子信息过程中一个很重要的任务就是在纠缠产生之后如何有效可靠的传递纠缠,自旋链之间有自然地相互作用而且也适合做短程的传递,因此人们提出了不少基于自旋链的量子纠缠传递方案。
在本学位论文中,我们主要研究了一些腔QED系统的纠缠动力学,以及如何利用经典驱动场操控原子和原子,以及原子和光场之间的纠缠,特别是操控纠缠的突然死亡和产生。另外还研究了相位退相干,次近邻相互作用以及相位移动对自旋链系统的量子态和纠缠传递的影响。
首先我们研究如何利用经典驱动场操控纠缠的突然死亡和产生。假定两个最初纠缠的两能级原子分别处于各自的环境中(腔场),两个腔场彼此之间没有直接的相互作用,两个原子被两束经典驱动场驱动着。我们的研究表明,在这样的量子体系中原子之间的纠缠产生快慢和多少可以由这两个经典驱动场控制,也就是说我们可以适当调整经典驱动场提高原子之间的纠缠,也可以通过调整经典驱动场改变纠缠突然死亡的时间,如果驱动场足够强,纠缠的突然死亡现象会消失。同时我们研究了两个腔场之间的纠缠演化,我们发现对应于两个原子的纠缠突然死亡,两个腔场之间的纠缠会突然产生。纠缠的突然产生和突然死亡的时间可以通过经典驱动场以及两个原子的初态进行调节。其次我们考虑在有退相干的情况下如何利用经典驱动场提高原了和光场之间纠缠,考察了退相干对这个体系的影响并且发现可以利用经典驱动场增加纠缠的产生。另外,我们研究了有相位退相干存在时两模两光子Jaynes-Cummings模型(JC模型)腔场和原子之间的纠缠,发现有稳态纠缠存在,此稳态纠缠与失谐有紧密联系。利用两模两光子JC模型还可以实现单量子比特幺正门和两量子比特相位门。
我们还进一步研究了三能级原子和腔场相互作用体系的纠缠产生和操控问题。我们首先研究了原子相干性和两模腔场之间纠缠的关联,研究结果表明,如果三能级原子有相干性,那么就能诱导出腔场两个模式之间的纠缠,而且纠缠的大小和相干性有很大关联。如果有相位退相干,我们发现在原子相干性和原子腔场相互作用的联合影响下腔场的两个模式之间会有稳态纠缠,这说明了在某些特定的情况下,相位退相干会有利于纠缠的产生。接着我们研究了退相干对纠缠动力学的影响,腔场分别处于真空态,相干态和热态,研究了各种情况下的纠缠动力学过程。我们还研究了两个一开始纠缠的三能级原子分别放置于两个没有相互作用的腔场中,分别计算了原子之间,原子和腔场之间,腔场和腔场之间的纠缠。研究表明三能级原子的初态和原子与腔场的失谐对纠缠的演化有着重要的影响,而且腔场和原子之间的纠缠有突然死亡现象。
最后,我们考虑了如何利用1/2自旋链进行量子态和纠缠的传递,我们研究了相位退相干,次近邻相互作用,以及相位移动在对自旋链中量子态和纠缠传递的影响。研究结果表明我们可以用次近邻相互作用和相位移动提高传递量子态和纠缠的保真度。