基于耦合腔—玻色—愛因斯坦凝聚系統(tǒng)的量子效應及其操控.pdf

1、腔量子電動力學（腔QED）描述了物質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，利用高品質的諧振腔實現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波場描述。瑞士的Brennecke等人于2007年首次實現了BEC和一個高品質的法布里-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)下的量子效應及其操控。
　　第一章我們主要介紹耦合腔-BEC系統(tǒng)的國內外研究現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-雜質比特的布居差。發(fā)

4、現雜質比特能夠誘導耦合腔-BEC系統(tǒng)發(fā)生狄克量子相變。通過調節(jié)雜質比特的布居差，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的量子效應提供了一個技術方案。
　　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在狄克哈密頓量基

5、態(tài)下的漲落。該光子數的漲落可通過泵浦光來調控。我們繼而研究了兩個無耦合的量子比特間的量子關聯(lián)在退相位環(huán)境中的動力學行為。發(fā)現對于初始態(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聯(lián)。最后我們給出了腔場光子數漲落在腔與BEC整個耦合區(qū)域的解析表達式，發(fā)現腔場光子數漲落在量子相變點附近急劇地增大。因而調控耦合腔-BEC系統(tǒng)的相變參數能敏

6、感地放大兩個量子比特之間的量子關聯(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)現當兩分量BEC的隧穿強度存在差異且可調控時，在隧穿動力學過程中會出現很多新奇的量子效應，如兩分量BEC在雙