非經(jīng)典光場與原子相互作用的理論研究.pdf

1、光與原子的相互作用，一直是量子光學和原子物理研究領域的重要課題之一。隨著實驗上各種非經(jīng)典光場的出現(xiàn)，研究原子與非經(jīng)典光場的作用引起了人們的注意。其中的壓縮光場，在實驗上已經(jīng)被廣泛研究并且在量子信息處理過程，特別是量子糾纏的產(chǎn)生和連續(xù)變量量子信息過程中具有特殊意義，因此它與原子的作用更是備受關注。研究非經(jīng)典光場與原子的作用，一方面希望探索這種有別于普通相干光的光場與原子作用中所表現(xiàn)的量子行為，揭示原子處在更為特殊的環(huán)境（非經(jīng)典場）中將呈現(xiàn)

2、的各種奇異性質(zhì)，這對我們理解光與原子相互作用這一基本過程具有重要意義;另一方面，由于大多數(shù)非經(jīng)典態(tài)是非常弱的光場，它們與單個原子的作用過程可以獲得清晰的物理圖像，研究在單光子和單原子水平原子與光子的作用過程對于今天人們廣泛關注的量子糾纏、量子退相干過程、單光子源的產(chǎn)生，量子信息處理等具有重要的價值。研究這一課題的另外一個動機是:目前國際上若干研究組以及本人所在的課題組已經(jīng)可以在單原子水平上對原子進行良好的操控和測量，量子光學與光量子器件

3、國家重點實驗室在各種非經(jīng)典光場的產(chǎn)生、測量和應用方面具有很強的實驗基礎，從而使我們的研究主要從實驗出發(fā)，圍繞實驗開展工作，也使理論研究的某些結(jié)果可望直接應用到實驗方面。
　　要使原子與光場發(fā)生很好的作用，腔QED實驗無疑是最好的手段。光頻段腔量子電動力學(CavityQED)對認識原子與光的作用至關重要。作為目前為數(shù)不多的能夠在實驗室環(huán)境下觀察單粒子量子行為的系統(tǒng)，腔QED系統(tǒng)不僅可以作為探索量子物理世界若干非經(jīng)典行為的重要工具，

4、例如薛定諤貓態(tài)、量子測量等等，而且在量子計算、量子態(tài)的制備以及量子通信等領域也具有重要價值。而對單原子或少數(shù)原子的有效操控是實現(xiàn)上述過程的基礎。隨著技術的進步，現(xiàn)在人們不僅可以將冷原子冷卻到絕對零度附近，而且可以通過光學偶極阱實現(xiàn)對少數(shù)原子的操控。20世紀90年代，隨著量子光學和冷原子技術的發(fā)展，高品質(zhì)微腔和原子冷卻與俘獲技術的結(jié)合使得單原子與光場相互作用的Jaynes-Cummings模型已經(jīng)可以得到很好的實驗檢驗。
　　目前我

5、們實驗小組已經(jīng)建立了用于腔QED實驗的磁光阱系統(tǒng)，高品質(zhì)微光學腔系統(tǒng)，實現(xiàn)了原子的光學偶極俘獲，獲得了單個原子的長時間控制，并在單原子和單光子探測方面取得了重要進展;在非經(jīng)典光場的產(chǎn)生方面也獲得了原子線附近的亞泊松光場并正在開展銫原子線壓縮真空態(tài)和EPR態(tài)的研究。這些實驗基礎為進一步開展微腔中單個原子與光場，尤其是與非經(jīng)典光場相互作用的研究奠定了基礎，這也是本理論研究的重要出發(fā)點:我們希望通過非經(jīng)典光場與原子相互作用的研究，探索該過程中

6、新的量子現(xiàn)象，對該過程的基本物理過程有深入的理解，同時，以實驗中的真實參數(shù)為理論計算的依據(jù)，以期對實驗上可能得到的結(jié)果或者已經(jīng)得到的結(jié)果做出預判或者解釋。
　　結(jié)合相關的實驗內(nèi)容，我們從原子和光場相互作用的哈密頓量（一般還需要考慮熱庫）出發(fā)，利用基本的量子光學處理方法（如薛定諤方程、主方程、Fokker-Planck方程、Langevin方程等），考慮相關的初始條件，理論推導和數(shù)值計算相結(jié)合（主要采用mathematica、Mat

7、lab、qo-toolbox等），得到了一些有意義的結(jié)果。本文完成的主要工作包含以下內(nèi)容:
　　1.討論了在現(xiàn)有的實驗條件下，如腔的參數(shù)等已知的情況下，要實現(xiàn)能夠俘獲單個銫原子的光學偶極阱，即深度達到1mK以上，所需的其他參數(shù)的最優(yōu)選擇，比如偶極俘獲光的波長、功率及腰斑等。
　　2.提出了利用介質(zhì)表面的多束倏逝駐波形成的二維光學晶格獲得亞半波長偶極阱的一種方案，并對其中偶極阱的特點進行了分析，包括深度和尺度等方面。結(jié)果表明，

8、通過選擇合適的波長可以獲得尺度小于半波長的光學微阱，再配合瓦級功率的FORT光，阱深可達mK量級。為在微尺度上更好地控制原子提供了一種可能的方案。
　　3.利用原子和光場強耦合的綴飾理論，可以很好的解釋一些實驗結(jié)果。我們在考慮多能級的情況下，仔細計算了原子的精細能級和超精細能級對光頻移（阱深）的影響，得到了銫原子D2線兩個能級的magicwavelength，為分析實驗中確實存在的復雜能級的影響提供了可靠的方法。
　　4.研

9、究了原子與各種光場（包括經(jīng)典光場和非經(jīng)典光場）相互作用時原子和光場各自特性的變化，包括原子的布居數(shù)、能級、吸收譜和熒光譜，以及光場的起伏、光子數(shù)統(tǒng)計性質(zhì)等等。其中，重點研究了壓縮真空環(huán)境下原子-光場糾纏的演化以及該過程對光場本身的非經(jīng)典特性的影響，并與相干態(tài)進行了比較，結(jié)果表明，在相同條件下，壓縮真空中原子-光場之間的糾纏要遠強于相干光場的情形。
　　5.研究了將原子放入簡并光學參量振蕩器(DOPO腔)中時內(nèi)腔場（輸出場）的光子統(tǒng)