基于里德堡偶极阻塞效应的集体激发控制以及纠缠研究

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里德堡原子由于其电偶极矩大,原子的辐射寿命长等特殊的性质,在量子计算与量子信息等方面具有极大的吸引力。特别地,里德堡原子之间存在强烈的偶极-偶极相互作用是里德堡原子偶极阻塞效应产生的基础。偶极阻塞效应也为密码技术,量子信息处理等各种新型量子任务提供了可靠的平台。不仅如此,量子纠缠是基于偶极阻塞效应而产生,它是量子物理的基本元素。本论文研究了二能级系统中超级原子随时间演化的动力学行为,同时对超级原子间最大纠缠态的制备做了详细的论述,并进一步的探讨了三个超级原子间相互作用所产生的动力学行为。论文第二章主要介绍与本文紧密相关的理论、概念以及重要定义。具体研究内容集中在第三和第四章中。在第三章中,我们利用Lindblad主方程研究了二能级系统中两个超级原子的同相和反相控制以及制备超级原子间的最大纠缠态。将二能级原子系综捕获在两个光阱中,基于严格的偶极阻塞效应,原子系综可以转化为两个超级原子,其中一个为控制超级原子,另一个为目标超级原子。首先,将两个超级原子都制备在基态,经过长时间的演化,两个超级原子可以达到同相振荡,进而能够制备超级原子间的最大纠缠态。进一步,当第一个超级原子处于激发态时,能够实现两个超级原子的反相动力学演化行为。特别地,改变超级原子中的原子数目,可以实现单原子和超级原子的同相和反相行为。在第四章中,基于第三章的理论方法,将两个超级原子的动力学研究推广到三个超级原子。探讨了不同初态下三个超级原子在同一阻塞区域内的相干动力学演化,并度量了超级原子间的纠缠。当超级原子初态都制备在基态,可以观察到三个超级原子可以实现完美的同相动力学演化。特别地,即使超级原子中原子数目不满足等大的条件,同相的动力学也不会受到影响。继续改变原子初态,可以得到第一和第二个(第一和第三)超级原子间的反相动力学行为。同样,超级原子中原子数目的不等不会影响反相演化。进一步,在同相和反相演化下没有度量到超级原子间的最大纠缠,但是超级原子的初态制备在基态时系统在激发概率最大时演化为W态。在本论文中,我们利用超级原子模型,基于严格的偶极阻塞效应,一方面实现了单原子对超级原子同相和反相控制,另一方面也制备了超级原子间的最大纠缠态。而关于三个超级原子间动力学的研究表明,当超级原子初态制备在基态时,系统在超级原子激发概率最大时演化为W态。不仅证明了利用二能级多体原子制备多体纠缠的可行性,还帮助人们进一步的了解多体系统中原子间相互作用机制。
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