基于耦合腔—玻色—愛因斯坦凝聚系統(tǒng)的量子效應(yīng)及其操控.pdf

1、腔量子電動力學（腔QED）描述了物質(zhì)與諧振裝置中的電磁場的相干作用，是量子信息處理的理想平臺。實驗上，利用高品質(zhì)的諧振腔實現(xiàn)了原子和諧振腔的強耦合。在強耦合區(qū)域，腔場光子逃逸出腔外前，該光子已和腔內(nèi)原子進行了多次的相干作用。這對于量子態(tài)工程和量子信息處理是非常重要的。實現(xiàn)原子氣體和諧振腔強耦合很困難，原因在于原子氣體具有很多自由度而難以控制。幸運地是，稀薄原子氣體的玻色-愛因斯坦凝聚(BEC)的實現(xiàn)解決了這個困難。BEC中，所有的原子都

2、處于一個相同的量子態(tài)，這大大地減少了原子氣體的自由度。BEC的運動甚至能用一個單模的物質(zhì)波場描述。瑞士的Brennecke等人于2007年首次實現(xiàn)了BEC和一個高品質(zhì)的法布里-珀羅腔光學腔的強耦合并且測量出這個耦合腔-BEC系統(tǒng)的能譜。從此耦合腔-BEC系統(tǒng)的研究成為一個熱點課題。最近文獻[Nature464，1301(2010)]報道了利用耦合腔-BEC系統(tǒng)模擬出了狄克模型中預言的狄克量子相變。本論文我們主要研究基于該耦合腔-BEC系

3、統(tǒng)下的量子效應(yīng)及其操控。
　　第一章我們主要介紹耦合腔-BEC系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及它的研究意義。
　　第二章我們對耦合腔-BEC系統(tǒng)做一個簡單的介紹。重點介紹基于二維耦合腔-BEC系統(tǒng)的狄克模型以及狄克量子相變。然后介紹一個基于一維耦合腔-BEC系統(tǒng)的玻色-哈伯德模型。
　　第三章我們研究了一個摻雜的耦合腔-BEC系統(tǒng)。基于該系統(tǒng)，提出一個廣義的狄克模型-摻雜狄克模型，進而引入一個新的相變參數(shù)-雜質(zhì)比特的布居差。發(fā)

4、現(xiàn)雜質(zhì)比特能夠誘導耦合腔-BEC系統(tǒng)發(fā)生狄克量子相變。通過調(diào)節(jié)雜質(zhì)比特的布居差，可以有效地降低光學腔與BEC發(fā)生狄克量子相變的臨界耦合強度，這為方便地觀察狄克量子相變以及研究狄克量子相變相關(guān)的量子效應(yīng)提供了一個技術(shù)方案。
　　第四章我們研究了一個兩量子比特-耦合腔-BEC復合系統(tǒng)。發(fā)現(xiàn)對于同時射入腔中且只和腔場相互作用的兩個量子比特來說，耦合腔-BEC系統(tǒng)等效于一個可控的退相位環(huán)境。退相位的衰減因子正比于腔場光子數(shù)在狄克哈密頓量基

5、態(tài)下的漲落。該光子數(shù)的漲落可通過泵浦光來調(diào)控。我們繼而研究了兩個無耦合的量子比特間的量子關(guān)聯(lián)在退相位環(huán)境中的動力學行為。發(fā)現(xiàn)對于初始態(tài)為X-型的量子態(tài)，兩個量子比特之間的量子關(guān)聯(lián)在特定條件下能夠隨著時間的演化而穩(wěn)定的放大。因此利用耦合腔-BEC系統(tǒng)能放大射入腔中的兩量子比特間的量子關(guān)聯(lián)。最后我們給出了腔場光子數(shù)漲落在腔與BEC整個耦合區(qū)域的解析表達式，發(fā)現(xiàn)腔場光子數(shù)漲落在量子相變點附近急劇地增大。因而調(diào)控耦合腔-BEC系統(tǒng)的相變參數(shù)能敏

6、感地放大兩個量子比特之間的量子關(guān)聯(lián)。
　　第五章我們研究了光學腔中兩分量的BEC在雙勢阱間的隧穿動力學。發(fā)現(xiàn)光學腔能夠誘導出一個有效的隧穿強度。當每個分量的BEC引起腔場本征頻率的移動量不同時，每個分量BEC的有效隧穿強度存在差異，且這種差異可通過泵浦光來調(diào)控。我們繼而研究了兩分量BEC的空間分離度、混合度以及糾纏動力學。發(fā)現(xiàn)當兩分量BEC的隧穿強度存在差異且可調(diào)控時，在隧穿動力學過程中會出現(xiàn)很多新奇的量子效應(yīng)，如兩分量BEC在雙