耗散耦合腔阵列中单光子的传输特性

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制备高品质的光腔、实现原子与腔场的强耦合,以及编织大尺度耦合腔阵列技术的发展使得耦合腔阵列成为一种潜在的量子模拟器,人们希望它能有助于量子信息的发展和量子计算机的实现。光子是量子信息传输的理想载体,在调控单光子的理论和实验研究中,人们发现耦合腔阵列可以用来实现光子的传输。控制单光子在耦合腔阵列中传输是目前研究的热点,已经引起了理论和实验研究方面的广泛注意。许多研究小组已经提出了多种控制单光子在耦合腔阵列中传输的方法。控制单光子在耦合腔阵列中传输的研究已经有了很大的进展,但很多理论研究仅限于理想情况下,即不考虑系统的耗散,而一个真实的系统会不可避免地与环境发生耦合。一般情况下,环境与系统的耦合将导致体系出现耗散、退相干和纠缠。当单光子在耦合腔阵列中传输时,系统与环境的耦合将导致入射光子的能量不守恒,这将影响光子的透射率和反射率,继而影响量子开关的工作性能。所以,研究光子在耗散耦合腔阵列中的传输性质已成为当前重要的课题。在本论文中,为描述耦合腔阵列与环境的相互作用,我们通过考察单个腔场的耗散性质提出了准玻色子方法。运用准玻色子方法,能够消除环境自由度,可以将耗散耦合腔阵列系统的哈密顿量形式写成与理想情况下的哈密顿量相同,然后我们就可以用数值解的方法计算出单光子透射率的解析表达式。在这篇论文中,我们分别讨论了三种不同的模型。在第二章中,我们考虑的是耦合腔阵列中的一个腔嵌入一个频率可控的二能级原子的系统。结果显示,当原子频率与腔场共振时,在共振频率附近,原子耗散对单光子的透射率影响比腔场耗散的影响更大。当原子的频率与腔场大失谐时,单光子透射谱峰值的减小主要是由腔场的耗散引起,随着耦合腔阵列中腔的个数的增加,单光子的透射率在减小。在第三章中,我们讨论耦合腔阵列的一个腔分别嵌入一个(?)-型、V-型和(?)-型三种不同内部结构的三能级原子,研究三能级原子对单光子的散射理论。结果显示,单光子的透射或反射可以通过控制泵浦场的开关来控制。然后,我们以人-型三能级原子与耦合腔阵列耦合为例,详细讨论了腔的耗散和原子耗散对单光子传输特性的影响。第四章研究的是二能级原子与腔局域耦合和非局域耦合两种情况下,单光子传输特性受腔场耗散和原子耗散的影响。比较耗散与无耗散的情况,结果表明耗散使得单光子透射谱的凹陷升高、峰值降低、频谱加宽;值得注意的是腔的耗散对透射谱的影响是不对称的。在非局域耦合情况下,当原子与腔的耦合强度逐渐增大时,腔的耗散对透射谱的影响增大,而原子耗散的影响变弱,可以忽略不计。文章的最后,对我的工作进行了总结和展望。
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