單量子體系的相干性及光子統(tǒng)計(jì)研究.pdf

1、光與物質(zhì)的相互作用是現(xiàn)代原子分子光物理和量子控制等的重要研究內(nèi)容。以激光、激光制冷、原子力探針掃描儀等為標(biāo)志的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，以及以玻色-愛因斯坦凝聚、電磁誘導(dǎo)透明等為代表的光-物質(zhì)相干現(xiàn)象使量子力學(xué)的研究深入到了納米尺度和單量子體系，這不僅突破了系綜平均的局限，同時(shí)在理論上激發(fā)了對(duì)量子開放體系的研究。目前，諸多理論方法被發(fā)展出來，包括量子主方程(master equation)、量子跳躍(quantum jump)、量子軌線(quantum

2、 trajcctory)、相容歷史(consistcnt history)、量子測(cè)量理論(如Kraus representation)等。量子相干性被認(rèn)為是量子體系的關(guān)鍵性質(zhì)，不同的相干性導(dǎo)致了很多新奇的量子效應(yīng)，比如電子雙縫干涉、糾纏光子、量子霍爾效應(yīng)等。自發(fā)輻射誘導(dǎo)相干性是一種由自發(fā)輻射系數(shù)所導(dǎo)致的相干性，在原子相干性研究中占有重要的地位。在光-物質(zhì)體系中，光場(chǎng)和物質(zhì)都具有相干性，且二者具有統(tǒng)一的基礎(chǔ)。為了同時(shí)描述物質(zhì)（原子、分子、

3、量子點(diǎn)等）和光場(chǎng)的相干性，通過引入密度矩陣所對(duì)應(yīng)的特征函數(shù)，光子的量子統(tǒng)計(jì)效應(yīng)以及各高階統(tǒng)計(jì)量等就可以被描述。
　　 在本論文中，我們采用產(chǎn)生函數(shù)方法研究光與物質(zhì)的相互作用體系的相干性和光子統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。我們討論了被廣泛研究的包括砷化鎵量子點(diǎn)(GaAs)和銣原子(Rb)在內(nèi)的單量子體系的相干性，并討論了相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　 在第一章，我們介紹了單量子體系相干性的研究背景和發(fā)展歷史，在單量子尺度上的精確控制已成為現(xiàn)代量子理論和

4、量子技術(shù)的核心。我們討論了一些常見的重要的原子相干現(xiàn)象，包括量子拍、相干粒子數(shù)囚禁等；在理論上，我們簡(jiǎn)要介紹了幾種可以用來描述光子相干性和統(tǒng)計(jì)的方法。
　　 在第二章，我們介紹了量子開放體系的理論基礎(chǔ)。我們首先討論了密度矩陣和相關(guān)的特征函數(shù)以及分布函數(shù)等的性質(zhì)。然后，我們討論了體系演化的Liouville方程、Lindblad方程、Kraus表象理論以及光-物質(zhì)相互作用體系的產(chǎn)生函數(shù)方程，并介紹了高階統(tǒng)計(jì)量。
　　 在第

5、三章，我們集中研究了自發(fā)輻射誘導(dǎo)相干(SGC)。首先，我們介紹了SGC的物理基礎(chǔ)和相關(guān)研究背景，比如暗共振、自發(fā)輻射消減以及自發(fā)輻射相干的模擬方法等。然后，我們?cè)敿?xì)討論了單量子多能級(jí)體系中的量子拍現(xiàn)象，以及V型三能級(jí)體系在脈沖激發(fā)下和超精細(xì)三能級(jí)體系在連續(xù)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的性質(zhì)。
　　 在第四章，我們研究了四能級(jí)體系中的電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象(EIT)和SGC效應(yīng)。我們介紹了EIT的相關(guān)效應(yīng)，包括光速減緩、光放大、多透明窗等，以及EIT的理論

6、基礎(chǔ)，包括暗極化子和去退相干子空間(DFS)理論。然后，我們?cè)谑еC空間中分析了雙Λ型四能級(jí)體系的EIT結(jié)構(gòu)和Mandel's Q參量所反映的光子統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。研究表明，SGC效應(yīng)可以導(dǎo)致一種真空協(xié)助透明現(xiàn)象[Vacuum-assistcd Transparency(VAT)]，我們?cè)敿?xì)分析了其動(dòng)力學(xué)機(jī)制。
　　 在第五章，我們研究了Ⅳ型四能級(jí)體系中的巨克爾效應(yīng)[Giant Kerr Effects(GKE)]和SGC效應(yīng)。同樣，我們

7、首先介紹了GKE的理論基礎(chǔ)和相關(guān)應(yīng)用，諸如量子邏輯門、光學(xué)開關(guān)等。然后，我們討論了外加控制場(chǎng)和開關(guān)場(chǎng)對(duì)非線性克爾吸收和AT(Autlcr-Townes)分裂的控制。我們發(fā)現(xiàn)，SGC效應(yīng)可以導(dǎo)致非線性克爾吸收的消失，這說明體系中暗態(tài)可以被SGC所恢復(fù)。另外，我們還討論了光學(xué)開關(guān)過程中對(duì)應(yīng)的光子反聚束效應(yīng)。
　　 在第六章，我們給出簡(jiǎn)要的總結(jié)和展望。在展望中，我們主要討論了SGC效應(yīng)在最近的一些發(fā)展、糾纏光子對(duì)的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)、不同能級(jí)結(jié)