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本文在光场与原子相互作用体系的量子化理论和量子纠缠的基本概念基础上,利用纠缠态的度量方法分别对幅值损耗腔中和热平衡态下的量子系统纠缠特性进行了研究。主要可分为如下两个方面:
首先,利用超算符方法对由主方程描述的能量损耗腔中、绝对零度下、两个人型三能级原子与光场发生拉曼相互作用的量子体系进行了求解,并获得了其精确解。借助量子条件熵研究了腔中两个纠缠A型三能级原子与相干光场相互作用过程中原子纠缠特性的演化。结果表明:(1)当腔场无耗散时且原子初始处于第一类纠缠态|ψa(0)>时,两原子间纠缠度出现等幅振荡并且周期性地达到最大纠缠。其条件纠缠度会随不同原子初始纠缠度、不同光场平均光子数、以及不同腔场衰减系数随时间演化。若两原子初始处于第二类纠缠态|Фa(0)>,且不考虑原子偶极一偶极相互作用影响时,其条件熵纠缠度只与原子初始纠缠度有关,不随其他因素变化,尤其是当两原子初始处于最大纠缠态时,可一直保持最大纠缠。(2)当腔场存在损耗时,若原子初始态纠缠态为|ψa(0)>类,纠缠度成减幅振荡,经一段时间后达稳定值,此稳定值随光场平均光子数的增加而减小,则耗散系数越大,纠缠度衰减越快,并且最后达到的稳定值也较小。而两原子初始纠缠态|Фa(0)>的纠缠特性只与初始纠缠度有关,不受腔场耗散的影响。可见,腔场耗散只引起两原子|ψa(0)>类纠缠态的退纠缠,而对于另一类原子初始纠缠态|Фa(0)>而言,其纠缠度可保持。
其次,利用共生纠缠度(Concurrence)研究了非旋波近似下双光子J-C模型中原子和光场间的热态纠缠现象,并与单光子J-C模型中的热态纠缠做了比较。研究表明:考虑虚光子跃迁时,该耦合系统可以形成纠缠且存在纠缠临界温度Tc 。当环境温度低于Tc时,原子和场之间存在纠缠,而且随着温度升高纠缠程度减弱。当环境温度高于Tc时,系统纠缠消失,并发现系统在一定温度下的纠缠特性与原子-实光场和原子-虚光场间的耦合系数(λ、ε)之比有关,并且得到几种不同形式的纠缠临界温度。
上述结果表明:在实际的量子系统不可避免地要与周围环境耦合的情况下,环境的作用会导致系统从纯态演化为混合态,从而使系统失去量子相干性。腔量子电动力学(腔QED)系统中存在适合量子信息存储、传输及易于实验实现的量子态。在环境对量子纠缠的破坏影响到量子信息的存储、传送、处理时,我们可以寻找具有与环境退耦合特性的量子态,把信息编码到该量子态上,实现量子信息处理的最佳化。此外,处于热平衡情况下的光场与原子的纠缠态和一般的纠缠态相比,具有较好的稳定性,且在实验中容易制备。所以本研究具有重要的理论和实际指导意义。