腔QED中加寬原子的自發(fā)輻射和量子糾纏態(tài)的研究.pdf

1、腔量子電動力學 (腔 QED) 是傳統(tǒng)量子光學研究的主要體系之一，其中蘊涵的豐富物理內(nèi)容引起了人們廣泛的研究，但作為量子信息處理的物理系統(tǒng)，由于其與環(huán)境難以避免的相互作用，原子的自發(fā)輻射和腔的泄漏導致系統(tǒng)的退相干，成為這一體系最初實現(xiàn)量子信息處理的主要障礙。最近的研究成果表明，腔 QED 在大失諧條件下，由于系統(tǒng)對環(huán)境的影響不敏感，腔場與原子之間沒有能量交換，可以使系統(tǒng)的消相干時間大大增加，另外，通過精巧的特殊設(shè)計，可以使消相干成為量子

2、信息處理的有利因素，這兩方面的進展使腔 QED 成為實現(xiàn)量子信息處理最有前途的方案之一。 本文主要研究腔 QED 中原子的自發(fā)輻射和大失諧腔 QED 中的量子信息過程兩個方面，主要內(nèi)容有： 1．微液滴表面均勻加寬原子或分子的自發(fā)輻射微米量級的球體用固體或液體都容易在實驗上制備，作為腔的微球體的量子電動力學問題引起了人們的廣泛注意并取得了很多進展，在這一光學腔中，很多光學現(xiàn)象得到了深入的研究，如熒光、激光、各種非線性光學過

3、程等。但燃料分子在微液滴表面的自發(fā)輻射實驗結(jié)果長時間沒有得到解釋。我們詳細討論加寬原子在球腔中的自發(fā)輻射問題，通過球腔的準正則模的展開，求出了介質(zhì)球腔場的態(tài)密度，在全量子理論的框架中求解二能級原子與電磁場相互作用的基本方程，考慮到局域場修正，得到了表面吸附分子在球體表面上的自發(fā)輻射幾率隨球半徑 a 變化的解析表達式，它僅僅包含 1/a 和1/a<'2>兩個分量，從而完滿解釋了實驗結(jié)果。在這一過程中，必須考慮原子偶極矩的取向自由度和介質(zhì)中

4、局域場的修正，同時我們發(fā)現(xiàn)，微液滴表面分子的熒光實驗可以用來測量局域場的修正和分子的譜加寬。 2．大失諧腔 QED 中腔和原子之間量子信息的相互轉(zhuǎn)移和連續(xù)變量糾纏態(tài)的非經(jīng)典效應大失諧情況下的 Janeys-Cummings 模型是實現(xiàn)量子信息技術(shù)的重要候選者。我們研究了大失諧情況下 Janeys-Cummings 模型中腔與原子之間的信息轉(zhuǎn)移，在原有研究的基礎(chǔ)之上，我們通過原子被腔作用后再對原子施加經(jīng)典場脈沖，可以成功實現(xiàn)腔場和

5、原子之間量子信息的相互轉(zhuǎn)移，尤其是當原子糾纏信息轉(zhuǎn)移到腔場態(tài)中，便制備出連續(xù)變量糾纏態(tài)。這一過程可以推廣到多原子和多個腔的情況。 連續(xù)變量體系的量子信息處理，在很多方面具有分立變量無可比擬的優(yōu)勢，它不需要單光子源，也不需要單光子計數(shù)器，只需零拍探測，因此有較大的成功幾率和有較高的效率，可通過傳統(tǒng)量子光學的技術(shù)去研究這一體系的量子信息過程。通過一對類 EPR 算符的總起伏，提出了一種簡單的雙模．連續(xù)變量糾纏態(tài)的判據(jù)，按照 Woot

6、ers 提出的 Concurrence 思想定義了雙模連續(xù)變量糾纏態(tài)的糾纏度，并通過幾個具體的例子說明了這種糾纏度簡單實用的優(yōu)點，尤其我們證明了廣義 EPR 糾纏態(tài)一定是雙模壓縮態(tài)，但糾纏相干態(tài)不存在任何雙模壓縮性質(zhì)，表明非經(jīng)典關(guān)聯(lián)的糾纏態(tài)與其場的其它非經(jīng)典效應可能存在一定的關(guān)系，通過研究糾纏相干態(tài)的非經(jīng)典效應，顯示糾纏與非經(jīng)典效應之間存在密切的關(guān)系，對某些態(tài)甚至是確定的對應關(guān)系。 3．強經(jīng)典場驅(qū)動的大失諧腔 QED 中量子信息

7、過程的研究量子態(tài)的隱形傳送理論和實驗研究對量子信息學的發(fā)展起到了極大的推動作用，量子糾纏態(tài)是量子信息處理過程中的基本資源，如何產(chǎn)生、存儲量子糾纏態(tài)成為量子信息技術(shù)中的關(guān)鍵。我們研究了經(jīng)典場驅(qū)動的大失諧腔QED 體系，整個系統(tǒng)對腔的損耗和與環(huán)境的相互作用不敏感，是一個理想的量子信息處理體系。 我們提出了通過經(jīng)典場驅(qū)動的腔 QED 實現(xiàn)任意兩原子態(tài)的可控量子隱形傳送方案，這一方案需要兩個腔作為傳送者和接受者，另外有一個控制者，系統(tǒng)通

8、過控制者的 Hadmard 操作，實現(xiàn)量子信息的控制隱形傳送．該方案不需進行 Bell 基的直接測量，成功率可以達到 1，并可以推廣到 N 個控制者，便于實現(xiàn)量子通信網(wǎng)絡。當腔中存在多個二能級原子時，系統(tǒng)的有效哈密頓量與 Ising 模型完全相同，實現(xiàn)了 Ising 模型在腔 QED 中的模擬，其最大優(yōu)點是相鄰原子之間的耦合常數(shù)可以人為地進行調(diào)整，從而對 Ising 模型的研究可以進一步深化，也為固態(tài)量子信息處理在實驗上尋找量子信息處理

9、體系提供了可資借鑒的參考． 兩二能級原子的四個最大糾纏態(tài)即 Bell 態(tài)進入這一體系中，不論相互作用時間的長短，任何時候取出這些態(tài)都不會改變它們的最大糾纏特性，這一系統(tǒng)可使初始處于 Bell 基的兩原子始終處于最大糾纏態(tài)，其中兩個 Bell 基是系統(tǒng)的本征態(tài)，另外兩個 Bell 基僅對其中一個原子作局域操作，仍然保持最大糾纏態(tài)，從而實現(xiàn)了最大糾纏態(tài)的簡單存儲。 多粒子真正糾纏態(tài)是最近在量子隱形傳態(tài)中構(gòu)造出的一種新的多體糾

10、纏態(tài)，是糾纏態(tài)研究中的一個新進展，但以往的研究只能構(gòu)造出偶數(shù)個粒子的多粒子真正糾纏態(tài)，我們通過可控的量子隱形傳態(tài)補充了構(gòu)造多體真正糾纏態(tài)的思想，建構(gòu)了奇數(shù)個粒子的多粒子真正糾纏態(tài)，我們用廣義整體糾纏度作為度量標準，將GHZ態(tài)和 W 態(tài)與該多粒子糾纏態(tài)做了比較，表明這一糾纏態(tài)是比 W 態(tài)和 GHZ 態(tài)更大的糾纏態(tài)。 把兩對最大糾纏原子 ( AB 和 CD ) 重新組合，使 AC 和 BD 分別進入我們所研究的腔中，適當選擇作用時間