非經(jīng)典光場(chǎng)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(xué)和原子物理研究領(lǐng)域的重要課題之一。隨著實(shí)驗(yàn)上各種非經(jīng)典光場(chǎng)的出現(xiàn)，研究原子與非經(jīng)典光場(chǎng)的作用引起了人們的注意。其中的壓縮光場(chǎng)，在實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)被廣泛研究并且在量子信息處理過(guò)程，特別是量子糾纏的產(chǎn)生和連續(xù)變量量子信息過(guò)程中具有特殊意義，因此它與原子的作用更是備受關(guān)注。研究非經(jīng)典光場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)）中將呈現(xiàn)

2、的各種奇異性質(zhì)，這對(duì)我們理解光與原子相互作用這一基本過(guò)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(chǎng)，它們與單個(gè)原子的作用過(guò)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(guò)程對(duì)于今天人們廣泛關(guān)注的量子糾纏、量子退相干過(guò)程、單光子源的產(chǎn)生，量子信息處理等具有重要的價(jià)值。研究這一課題的另外一個(gè)動(dòng)機(jī)是:目前國(guó)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(duì)原子進(jìn)行良好的操控和測(cè)量，量子光學(xué)與光量子器件

3、國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在各種非經(jīng)典光場(chǎng)的產(chǎn)生、測(cè)量和應(yīng)用方面具有很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，從而使我們的研究主要從實(shí)驗(yàn)出發(fā)，圍繞實(shí)驗(yàn)開展工作，也使理論研究的某些結(jié)果可望直接應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)方面。
　　要使原子與光場(chǎng)發(fā)生很好的作用，腔QED實(shí)驗(yàn)無(wú)疑是最好的手段。光頻段腔量子電動(dòng)力學(xué)(CavityQED)對(duì)認(rèn)識(shí)原子與光的作用至關(guān)重要。作為目前為數(shù)不多的能夠在實(shí)驗(yàn)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(cè)量等等，而且在量子計(jì)算、量子態(tài)的制備以及量子通信等領(lǐng)域也具有重要價(jià)值。而對(duì)單原子或少數(shù)原子的有效操控是實(shí)現(xiàn)上述過(guò)程的基礎(chǔ)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在人們不僅可以將冷原子冷卻到絕對(duì)零度附近，而且可以通過(guò)光學(xué)偶極阱實(shí)現(xiàn)對(duì)少數(shù)原子的操控。20世紀(jì)90年代，隨著量子光學(xué)和冷原子技術(shù)的發(fā)展，高品質(zhì)微腔和原子冷卻與俘獲技術(shù)的結(jié)合使得單原子與光場(chǎng)相互作用的Jaynes-Cummings模型已經(jīng)可以得到很好的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。
　　目前我

5、們實(shí)驗(yàn)小組已經(jīng)建立了用于腔QED實(shí)驗(yàn)的磁光阱系統(tǒng)，高品質(zhì)微光學(xué)腔系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了原子的光學(xué)偶極俘獲，獲得了單個(gè)原子的長(zhǎng)時(shí)間控制，并在單原子和單光子探測(cè)方面取得了重要進(jìn)展;在非經(jīng)典光場(chǎng)的產(chǎn)生方面也獲得了原子線附近的亞泊松光場(chǎng)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(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)為進(jìn)一步開展微腔中單個(gè)原子與光場(chǎng)，尤其是與非經(jīng)典光場(chǎng)相互作用的研究奠定了基礎(chǔ)，這也是本理論研究的重要出發(fā)點(diǎn):我們希望通過(guò)非經(jīng)典光場(chǎng)與原子相互作用的研究，探索該過(guò)程中

6、新的量子現(xiàn)象，對(duì)該過(guò)程的基本物理過(guò)程有深入的理解，同時(shí)，以實(shí)驗(yàn)中的真實(shí)參數(shù)為理論計(jì)算的依據(jù)，以期對(duì)實(shí)驗(yàn)上可能得到的結(jié)果或者已經(jīng)得到的結(jié)果做出預(yù)判或者解釋。
　　結(jié)合相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，我們從原子和光場(chǎng)相互作用的哈密頓量（一般還需要考慮熱庫(kù)）出發(fā)，利用基本的量子光學(xué)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(guān)的初始條件，理論推導(dǎo)和數(shù)值計(jì)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(shí)驗(yàn)條件下，如腔的參數(shù)等已知的情況下，要實(shí)現(xiàn)能夠俘獲單個(gè)銫原子的光學(xué)偶極阱，即深度達(dá)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(zhǎng)、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(xué)晶格獲得亞半波長(zhǎng)偶極阱的一種方案，并對(duì)其中偶極阱的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，包括深度和尺度等方面。結(jié)果表明，

8、通過(guò)選擇合適的波長(zhǎng)可以獲得尺度小于半波長(zhǎng)的光學(xué)微阱，再配合瓦級(jí)功率的FORT光，阱深可達(dá)mK量級(jí)。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(chǎng)強(qiáng)耦合的綴飾理論，可以很好的解釋一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果。我們?cè)诳紤]多能級(jí)的情況下，仔細(xì)計(jì)算了原子的精細(xì)能級(jí)和超精細(xì)能級(jí)對(duì)光頻移（阱深）的影響，得到了銫原子D2線兩個(gè)能級(jí)的magicwavelength，為分析實(shí)驗(yàn)中確實(shí)存在的復(fù)雜能級(jí)的影響提供了可靠的方法。
　　4.研

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