基于耦合腔—玻色—愛(ài)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(dòng)力學(xué)（腔QED）描述了物質(zhì)與諧振裝置中的電磁場(chǎng)的相干作用，是量子信息處理的理想平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)上，利用高品質(zhì)的諧振腔實(shí)現(xiàn)了原子和諧振腔的強(qiáng)耦合。在強(qiáng)耦合區(qū)域，腔場(chǎng)光子逃逸出腔外前，該光子已和腔內(nèi)原子進(jìn)行了多次的相干作用。這對(duì)于量子態(tài)工程和量子信息處理是非常重要的。實(shí)現(xiàn)原子氣體和諧振腔強(qiáng)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(yùn)地是，稀薄原子氣體的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚(BEC)的實(shí)現(xiàn)解決了這個(gè)困難。BEC中，所有的原子都

2、處于一個(gè)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(yùn)動(dòng)甚至能用一個(gè)單模的物質(zhì)波場(chǎng)描述。瑞士的Brennecke等人于2007年首次實(shí)現(xiàn)了BEC和一個(gè)高品質(zhì)的法布里-珀羅腔光學(xué)腔的強(qiáng)耦合并且測(cè)量出這個(gè)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(gè)熱點(diǎn)課題。最近文獻(xiàn)[Nature464，1301(2010)]報(bào)道了利用耦合腔-BEC系統(tǒng)模擬出了狄克模型中預(yù)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及它的研究意義。
　　第二章我們對(duì)耦合腔-BEC系統(tǒng)做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。重點(diǎn)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(gè)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(gè)摻雜的耦合腔-BEC系統(tǒng)?；谠撓到y(tǒng)，提出一個(gè)廣義的狄克模型-摻雜狄克模型，進(jìn)而引入一個(gè)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(dǎo)耦合腔-BEC系統(tǒng)發(fā)生狄克量子相變。通過(guò)調(diào)節(jié)雜質(zhì)比特的布居差，可以有效地降低光學(xué)腔與BEC發(fā)生狄克量子相變的臨界耦合強(qiáng)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(gè)技術(shù)方案。
　　第四章我們研究了一個(gè)兩量子比特-耦合腔-BEC復(fù)合系統(tǒng)。發(fā)現(xiàn)對(duì)于同時(shí)射入腔中且只和腔場(chǎng)相互作用的兩個(gè)量子比特來(lái)說(shuō)，耦合腔-BEC系統(tǒng)等效于一個(gè)可控的退相位環(huán)境。退相位的衰減因子正比于腔場(chǎng)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(guò)泵浦光來(lái)調(diào)控。我們繼而研究了兩個(gè)無(wú)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(dòng)力學(xué)行為。發(fā)現(xiàn)對(duì)于初始態(tài)為X-型的量子態(tài)，兩個(gè)量子比特之間的量子關(guān)聯(lián)在特定條件下能夠隨著時(shí)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(chǎng)光子數(shù)漲落在腔與BEC整個(gè)耦合區(qū)域的解析表達(dá)式，發(fā)現(xiàn)腔場(chǎng)光子數(shù)漲落在量子相變點(diǎn)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(gè)量子比特之間的量子關(guān)聯(lián)。
　　第五章我們研究了光學(xué)腔中兩分量的BEC在雙勢(shì)阱間的隧穿動(dòng)力學(xué)。發(fā)現(xiàn)光學(xué)腔能夠誘導(dǎo)出一個(gè)有效的隧穿強(qiáng)度。當(dāng)每個(gè)分量的BEC引起腔場(chǎng)本征頻率的移動(dòng)量不同時(shí)，每個(gè)分量BEC的有效隧穿強(qiáng)度存在差異，且這種差異可通過(guò)泵浦光來(lái)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(dòng)力學(xué)。發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩分量BEC的隧穿強(qiáng)度存在差異且可調(diào)控時(shí)，在隧穿動(dòng)力學(xué)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)很多新奇的量子效應(yīng)，如兩分量BEC在雙