基于固態(tài)可調(diào)控超導(dǎo)量子電路的若干量子光學(xué)問題的研究.pdf

1、量子光學(xué)是研究光與物質(zhì)相互作用的學(xué)科，它是量子場(chǎng)理論和物理光學(xué)的完美結(jié)合，其理論框架由僅涉及介質(zhì)量子化的半經(jīng)典理論和介質(zhì)與光場(chǎng)均量子化的全量子理論組成。量子光學(xué)從誕生之日起就一直吸引著許多杰出的物理學(xué)家的注意，其研究系統(tǒng)也從最初的自然原子系統(tǒng)發(fā)展到現(xiàn)在各式各樣的新型量子光學(xué)系統(tǒng)，如量子點(diǎn)系統(tǒng)、NV色心系統(tǒng)、光機(jī)械系統(tǒng)、超導(dǎo)量子電路系統(tǒng)。其中，基于約瑟夫森節(jié)的超導(dǎo)量子系統(tǒng)已經(jīng)被用來展示了許多有趣的量子光學(xué)現(xiàn)象，從而導(dǎo)致了電路量子電動(dòng)力學(xué)這

2、一概念的提出。作為超導(dǎo)電路的核心部件，超導(dǎo)量子比特可以被外部的參數(shù)調(diào)諧和控制，其行為類似人造的多能級(jí)原子。因此，與傳統(tǒng)的腔量子電動(dòng)力學(xué)相比，電路量子電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)具有極大的調(diào)諧性和可控性，從而可以通過調(diào)控來實(shí)現(xiàn)靈活的量子光學(xué)現(xiàn)象。本文的研究工作就是借助超導(dǎo)電路這一系統(tǒng)來開展的，并取得了一些創(chuàng)新性的成果，主要有：
　　1.利用由一個(gè)驅(qū)動(dòng)的超導(dǎo)電荷比特與一個(gè)傳輸線諧振子強(qiáng)耦合或者超強(qiáng)耦合相互作用所組成的電路量子電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，我們展示了量

3、子Zeno效應(yīng)的理論研究。借助于綴飾態(tài)方法，我們預(yù)測(cè)了在兩種相反的投影測(cè)量下的綴飾比特的動(dòng)力學(xué)行為。對(duì)于非常頻繁的重復(fù)測(cè)量，我們的研究顯示綴飾比特初始態(tài)的生存幾率具有指數(shù)形式，并且其Zeno時(shí)間長(zhǎng)于裸比特幾個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)于緩慢的重復(fù)測(cè)量，我們發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)的失諧量對(duì)比特的測(cè)量動(dòng)力學(xué)有重要的影響，而且在恰當(dāng)?shù)南到y(tǒng)參數(shù)下，Zeno效應(yīng)在非共振耦合情形下出現(xiàn)了。我們強(qiáng)調(diào)，對(duì)于一個(gè)通常的兩能級(jí)系統(tǒng)，這種Zeno效應(yīng)不能發(fā)生。
　　2.通過驅(qū)動(dòng)一

4、個(gè)由電荷比特與傳輸線諧振子強(qiáng)耦合所構(gòu)成的有效的三能級(jí)超導(dǎo)綴飾系統(tǒng)，我們研究了電磁感應(yīng)透明和Autler-Townes分裂。在綴飾態(tài)框架和穩(wěn)態(tài)近似下，我們深入的研究了該系統(tǒng)對(duì)一個(gè)弱探測(cè)信號(hào)的線性響應(yīng)。借助于譜線分解方法和其余的限制條件，我們獲得了綴飾態(tài)系統(tǒng)的電磁感應(yīng)透明和Autler-Townes分裂實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)條件，并呈現(xiàn)了一個(gè)相應(yīng)的“相圖”。與一般的裸系統(tǒng)相比，這些被獲得的條件對(duì)比特-諧振子系統(tǒng)的參數(shù)有額外的依賴。作為結(jié)果，通過調(diào)諧比特

5、的約瑟夫森耦合能，我們呈現(xiàn)了從電磁感應(yīng)透明到Autler-Townes分裂的躍遷。我們的研究再次顯示了固態(tài)超導(dǎo)量子電路可調(diào)諧性的優(yōu)點(diǎn)。
　　3.我們研究了四能級(jí) V-型超導(dǎo)系統(tǒng)的電磁感應(yīng)透明和 Autler-Townes分裂。該系統(tǒng)是由兩個(gè)耦合的超導(dǎo)電荷比特所構(gòu)成，我們給出了其本征值和本征態(tài)的一般解。我們研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于探測(cè)場(chǎng)的吸收譜線，這個(gè)四能級(jí)系統(tǒng)可以展示多個(gè)dip，至多3個(gè)dip，這打破了傳統(tǒng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系：N+1能級(jí)系統(tǒng)最多顯示

6、N-1個(gè)dip。通過把這個(gè)四能級(jí)系統(tǒng)分解成兩個(gè)三能級(jí)子系統(tǒng)，我們對(duì)于這一發(fā)現(xiàn)給出了一個(gè)合理的解釋。我們也顯示，通過調(diào)諧系統(tǒng)的參數(shù)，吸收峰和dip的角色是可以交換的。
　　4.利用一個(gè)可循環(huán)躍遷的?-型三能級(jí)超導(dǎo)量子比特，我們研究了非線性多波混頻現(xiàn)象。由于選擇定則在這個(gè)系統(tǒng)中的缺乏，我們首次在理論上論證了三波、四波和五波混頻能共存。對(duì)于僅僅一個(gè)超導(dǎo)比特，四波混頻的效率就可以高達(dá)0.1％，這可以與先前的許多原子系統(tǒng)的波混效率相比較甚至

7、更大。我們也顯示三波和五波混頻信號(hào)的譜線發(fā)生了Autler-Townes分裂，并且量子干涉對(duì)總的信號(hào)——三波和五波混頻信號(hào)的相干疊加——有重要的影響。
　　5.利用一個(gè)循環(huán)驅(qū)動(dòng)的三能級(jí)超導(dǎo)約瑟夫森系統(tǒng)，我們研究了一種新型的相位和頻率敏感的微波放大和減小。不同于先前的純粹的相位敏感放大的線性理論，一種新的物理機(jī)制——非線性波混和波干涉的共同作用——被提出，不僅導(dǎo)致了信號(hào)的放大而且也能導(dǎo)致衰減，這被稱之為干涉非線性光學(xué)。我們研究顯示，