微腔-原子耦合系统的量子态调控

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:peace_2009
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近年来,腔量子电动力学(QED)已经成为人们研究物质与场相互作用这一基本问题的一个重要学科,在量子调控、量子计算和信息、量子网络等领域中都有着广泛的应用。随着人们对一些基本问题的深入理解,以及各种微纳加工技术和测量技术的发展和进步,在各种量子系统中的量子调控技术也逐渐成熟和完善起来。本文以腔-原子量子耦合系统为研究对象,通过理论分析和数值计算讨论不同类型的微腔和原子耦合系统的自发辐射、量子态演化、布居数囚禁、耗散抑制等行为,从不同的角度来了解和探索如何调控耦合系统的量子态,期望更深入的理解和掌握微腔和原子的相互作用物理机制以及单光子的激发过程。  偏振,是光子的固有性质,在光与物质相互作用过程中担当着至关重要的角色。任意一束偏振光都可以分解成两个基态矢量,即相互垂直的两束线偏振光的叠加。将一个Ⅴ型三能级原子置入一个单模无耗散的微腔中,由于该原子包含两个离得非常近的高能级,假设初始时原子处在两个高能级的叠加态,仿照偏振的概念,可以制备出多种多样的“偏振”初始态,例如椭圆偏振态,线偏振态,圆偏振态等,而当两个基态矢量的相位差不同时,也有左旋和右旋之分。通过理论分析和数值模拟,我们发现当原子处在这些不同“偏振”初始态下,自发辐射谱线呈现出不同的轮廓和特征。这意味着在原子与光子相互作用过程中,三能级原子的“偏振”初始态是控制量子干涉效应的关键因素。通过对相干叠加和量子态干涉的研究,有助于我们进一步探讨光-物质相互作用的一些前沿问题。  在一个Ⅴ型三能级原子-腔耦合系统中,处于高能级的原子会自发辐射到低能级,同时放出一个光子,在腔的强耦合作用下,光子会被原子重新吸收,原子重新回到激发态。之后原子会继续跃迁到低能级,放出光子,如此往返,形成Rabi振荡。在这个过程中,原子的布居数在高能级和低能级之间作周期性交换,两个高能级之间不发生跃迁,没有布居数的交换。与此同时,如果在两个高能级之间再加一束频率比普通激光小很多的微波场,微波场会干扰两个跃迁通道的量子相干性,导致两个高能级之间出现跃迁。这种干扰使得系统表现出丰富多彩的量子相干效应。在腔光子和微波场的共同合作和竞争下,原子在各能态上的布居数的时间演化呈现出一个快振荡和慢振荡的叠加。腔-原子耦合系数和微波场的Rabi频率的大小都会大大影响到原子和光子的量子态的演化。理论分析和数值计算都表明,当微波场的强度与耦合系数相比很大时,两个高能级与低能级会失去耦合作用,原子会稳定的待在激发态。进一步的研究发现,初始条件在系统的动力学演化中亦起着至关重要的作用,通过制备合适的初始态,可以得到多种多样的布居数囚禁现象。我们的理论和结果有助于理解两种相互作用合作和竞争的物理机制,通过选择合适的作用参数和初始条件为实现丰富多彩的布居数囚禁现象提供了一种新的可行性方案。  任何量子体系与外界环境之间都存在相互作用,因此耗散和退相干不可避免,这些因素往往对实验造成了限制和负面的影响,目前,在腔量子光学中人们正致力于从理论和实验上来控制耗散效应。在一个双原子-腔耦合体系中,整个系统的耗散包括沿腔轴的泄露引起的光子损耗以及原子与外界耦合导致的衰减,通过理论模型和数值分析,我们发现,当两个微腔之间的耦合系数远大于原子与腔之间的耦合系数时,如果能够关闭其中一个耗散通道,将产生一种耗散抑制的量子态,能大大抑制整个系统的衰减。这有助于我们获得超长的光子和原子储存寿命,降低耗散的负面作用,使得更有效的量子信息储存成为可能。
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