基于强耦合腔量子电动力学的量子纠缠研究

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量子纠缠是量子物理区别于经典物理的最显著特征之一。它不但可用于验证量子非局域性,而且在量子信息处理和量子通信等领域有极其重要的应用价值。因此自爱因斯坦和薛定谔等人提出量子纠缠以来,量子纠缠就引起了人们极大的兴趣。发展至今,量子纠缠的一些基本特性已被人们熟知。因此,当前量子纠缠的研究主要集中在寻找合适的物理系统制备高效率、高保真度和长相干时间的量子纠缠,以用于规模化、集成化的量子计算,远距离量子通信,以及高精度的量子计量等。腔量子电动力学(腔QED)是研究受限空间中电磁场和物质(如原子、分子、离子和量子点等)相互作用的一门学科。腔QED系统研究的一个重要物理系统是原子-腔相互作用系统。当原子和腔的相互作用强度超过系统自身的各种损耗(如原子的自发辐射、腔内光子损耗等),系统进入强耦合区域。强耦合腔QED系统能够高效、确定性地操控单原子和单光子的量子态,是量子信息处理和量子通信的理想场所。当前,尽管人们基于腔QED系统已成功制备了原子-原子纠缠、光子-原子纠缠等,但在多原子体系中,对每个原子和光子的量子态独立操控仍是当前实验技术的一个难点。此外,如何降低量子系统的各种消相干因素对量子系统的影响,以扩展量子计算和量子网络的规模,是腔QED系统,也是其他各种物理系统一直追寻的目标。考虑到这些问题,本文将围绕基于强耦合腔QED的量子纠缠制备和量子纠缠动力学演化开展工作,主要内容包括:1)研究单个微腔中,A型多原子W态的制备。我们考虑原子的一个能级跃迁与单模腔共振,而另一个能级跃迁与一束有一定失谐的弱激光脉冲相互作用。数值模拟结果表明,该方案能有效地抑制原子自发辐射和光子损耗对系统的影响。此外,由于弱相干光的引入,可以降低激光对量子系统的影响。因此,该方案可以实现鲁棒的(robust) W态制备。2)研究基于耦合腔系统实现分布式原子NOON态的制备,以实现达到海森堡极限的量子计量。我们考虑了两种模型制备分布式NOON态:其一是基于二能级原子-光纤-腔系统;其二是基于三能级A型原子-直接耦合腔系统。这两种方案各有一定的优缺点:方案一的优点是两原子系统的分布距离较远,但相干时间较短且系综中的原子数不能太大;方案二相对较复杂,但NOON态的相干时间较长。尽管这两种方案都不完美,但在量子计量和量子网络中都有一定的现实意义。3)研究量子系统演化过程中的量子Zeno效应,基于量子Zeno动力学实现俘获在两个直接耦合腔中的原子纠缠态制备。我们考虑两个人型原子(原子系综)与两个直接耦合光学微腔相互作用。方案中原子和两个腔始终处在基态,可以减小原子和光子的耗散对系统的影响。此外,即使原子的初态不是很完美,我们仍可以制备出高保真度较高的原子(原子系综)纠缠态。4)研究量子纠缠在量子光场中的纠缠动力学,为今后研究量子纠缠的存储,以及量子计算和量子网络奠定基础。我们考虑两个Tavis-Cummings原子同时与一个压缩真空光场相互作用的原子纠缠动力学。我们发现双原子的纠缠度(concurrence)在有限的时间内发生纠缠猝死(Entanglement sudden death)和纠缠恢复(Entanglement revival)现象,且纠缠消失的时间与双原子的激发数和压缩真空光场的性质有直接的关系。此外,我们还发现在压缩真空光场中存在着两个无退相干的原子纠缠态。
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