光子系統(tǒng)的量子操縱與物理模擬.pdf

1、量子信息的核心旨在巧妙地利用量子相干性（對多粒子系統(tǒng)表現(xiàn)為量子糾纏）對信息的新型載體—量子比特進行操縱控制，以非常規(guī)的方式進行信息的編碼、存儲和傳遞，量子信息處理技術本質上就是對量子態(tài)的操控技術，量子相干操縱的目標是在適當?shù)奈锢硐到y(tǒng)中實現(xiàn)對其相干動力學的控制和操作。要實現(xiàn)相干操縱，最關鍵的問題是找到一個相干性好的物理系統(tǒng)。由于具有最快的傳播速度，很強的穩(wěn)定性及良好的抗環(huán)境干擾能力，光子系統(tǒng)早已成為實現(xiàn)量子信息處理的最理想和最熱門的物理系

2、統(tǒng)之一。為了利用光子系統(tǒng)來進行量子計算和量子信息的傳輸，對光子態(tài)的相干操作是必須的。本文的工作首先是利用原子來控制量子光在空間中的傳輸，這里的研究主要是從在大N和低激發(fā)條件下原子系綜的激發(fā)可以簡化為一個玻色子模式出發(fā)的。具體來說包括基于相干原子介質傳播空間的相干操縱、單光子水平的量子操縱方案。隨后討論利用光學系統(tǒng)模擬量子信息處理。主要是利用光學被動光學元件，如分束器，極化分束器，波片等線性光學元件區(qū)分相互獨立但卻不正交的量子態(tài)，以及模擬

3、二人囚徒困境量子博弈。本論文的結構分為五部分： 論文的第一章是緒論，作為整篇論文的鋪墊，在這部分中我們介紹量子信息和量子計算的發(fā)展歷史以及研究現(xiàn)狀，并分別從理論和實驗的角度重點闡述了光子系統(tǒng)量子性質研究的幾個熱點問題的研究現(xiàn)狀． 第二部分為論文的第二章。基于慢光實驗的進展，在這一章中，我們研究非均勻介質中光子態(tài)傳播與空間控制問題。產生慢光有兩種方法，一種基于原子相干振蕩，它使用二能級原子系綜與探測光和控制光相互作用，另一

4、種方法是利用電磁誘導透明技術，它通常使用A型三能級與探測光和控制光相互作用，我們首先對由相干布局數(shù)振蕩所產生的慢光的空間傳播問題進行討論，我們使用了半經典處理，利用絕熱近似分別得到了描述探測光的薛定諤方程和描述控制光空間運動的非線性薛定諤方程，并發(fā)現(xiàn)控制光在傳播過程中形狀、幅度和速度都可維持不變，然而控制光的空間分布將使得入射到介質中的探測光束在經過介質后發(fā)生偏轉現(xiàn)象．隨后我們對由電磁誘導透明所產生的慢光的空間傳播問題進行討論?，F(xiàn)今實驗

5、發(fā)現(xiàn)：當探測光束通過處于非均勻磁場中的A型三能級原子介質時，由于磁場依賴于空間位置的變化，探測光束將發(fā)生偏轉。針對這一現(xiàn)象，并考慮到電磁誘導透明現(xiàn)象在微觀上是由于光子和原子集體激發(fā)形成了一種激子極化子——暗態(tài)極化子，我們使用平均場理論得到了描述暗態(tài)空間運動的有效薛定諤方程，隨后我們采用特定的波包描述了這種準粒子，從波動的角度考慮了橫向分布為二次型或線性的磁場中暗態(tài)極化子的運動，我們的處理方法反映了準粒子的波粒二象性，研究也表明，暗態(tài)極化

6、子具有有效磁矩， 第三章中，我們將利用原子系綜與光的相互作用來操作光子以及將光子限制在高品質因子的共振腔陣列中這兩種操縱光子的方法相結合，并使用一維的離散坐標量子散射理論進行計算。我們發(fā)現(xiàn)由于原子系綜的嵌入破壞了耦合腔陣列的平移不變性，使得入射到腔陣列中的光子會被囚禁在嵌入原子系綜的腔附近，而不會在陣列中游走。另一方面，對于在陣列中游走的光子，原子與腔場的強耦合改變了陣列中特定腔場的能級分布，從而使得光子共振遂穿幾率發(fā)生了改變，

7、因此我們可以通過調節(jié)原子的躍遷頻率來控制光子的傳輸。從而在理論上提出了一種實現(xiàn)量子網絡中不同網絡之間連接的方法。 在論文的第四章主要是利用光學系統(tǒng)模擬量子信息處理，這里我們利用了光子的兩個自由度，光子空間路徑是一個自由度，另一個自由度是光子的極化。首先，對于相互獨立但卻不正交的量子態(tài)，我們提出在直積空間利用偏振分束器、波片、偏振片和單光子探測器來實現(xiàn)它們的最佳無錯鑒別。在模擬二人囚徒困境量子博弈方面，量子博弈中所需的兩個量子比特