基于腔量子電動力學的光機械系統與自旋壓縮研究.pdf

1、信息科學是研究信息運動規(guī)律和應用方法的科學，近30年來，信息科學與量子力學相結合而興起的量子信息科學受到了廣泛的關注。量子信息科學由于一些新奇特性，比如量子態(tài)的不可克隆性、線性疊加性、糾纏特性等，使其在量子計算、量子信息、量子度量等方面顯示出十分廣闊技術應用前景。量子計算機的并行處理能力使其計算速度遠遠快于經典計算機，在密碼破解、量子搜索等方面展示出了巨大的潛力。量子信息利用量子態(tài)不可被克隆性、糾纏特性等特點已經在量子密碼、量子通信等實

2、用化領域取得了重大的進展。測量高精度物理量的需求推動了量子度量學的發(fā)展，在量子時鐘和引力探測等領域的研究也越來越熱，在有些領域已經突破了經典物理的極限，正在向著海森堡極限逼近。
　　量子信息科學的優(yōu)勢吸引著人們尋求各色各樣的信息載體來實現量子計算機。量子計算機在物理實現上需要考慮各種折衷因素，在離子阱、超導電子電路、線性光學、腔量子電動力學裝置和分子核磁共振等系統中已經取得了很大的進展。但是實際量子物理體系中會有各種各樣的耗散，而

3、且量子比特數目越多耗散會越嚴重。幸運的是有些體系在某些方面的優(yōu)勢非常明顯，因此混合物理系統也受到了越來越多的關注。腔光機械系統在量子信息存儲、量子混沌、波長轉換等方面有很大的潛在應用前景，特別是其與原子或者量子點等耦合形成的混合物理體系，更是近年來研究的一個熱點。腔量子電動力學(C-QED)是研究原子和光學模式之間相互耦合的一個重要領域。在高品質因子的光學腔中，光子與原子可以進行多次相互作用，實現原子與光場很強耦合，從而制備自旋壓縮態(tài)(

4、SSS)用于量子度量。
　　在本篇論文中，我們首先簡要介紹量子信息科學的一些基本知識，討論了腔光機械系統和腔量子電動力學裝置。對于腔光機械系統，我們研究了該系統一些基本性質和應用，還分析了其與量子點耦合形成的混合物理體系、單光子和雙光子的輸入輸出、聲子激光。對于腔量子電動力學裝置，我們就制備自旋壓縮態(tài)方面做了詳細的討論，主要包括以下幾點:在腔壓縮體系中通過失諧來加強自旋壓縮;在氮-空穴(NV)色心體系中基于幾何相位通過聲子誘導自旋

5、壓縮;通過連續(xù)驅動NV自旋鏈產生壓縮穩(wěn)態(tài)。具體內容為如下四個方面:
　　1.腔光機械系統研究
　　腔光機械系統是實現量子通信和量子計算一個非常重要的系統，里面有豐富的物理現象和很多潛在的應用。我們在光機械誘導透明、布里淵散射誘導透明以及非互易光存儲等方面做了一些簡單的討論。在光機械與量子點耦合形成的混合物理體系中，我們發(fā)現了真空腔誘導透明現象，從強弱耦合兩個角度做了詳細的分析。此外，我們還將經典控制光與真空腔誘導下的透明現象

6、做了對比。最后，為了能更好地理解誘導透明現象，我們在一般三能級原子體系中，通過非相干控制實現了電磁誘導透明(EIT)與Autler-Towns劈裂(ATS)的相互轉換，并對兩者做了區(qū)分。在光機械的輸入輸出研究中，我們得到了在平方耦合的情況下單光子的輸出譜，其展現出聲子偶數激發(fā)的特點。以此為基礎，我們進一步研究了在實空間下雙光子的輸入輸出情況。對于聲子激光，我們提出了幾個可行的實現方案。
　　2.失諧加強腔自旋壓縮
　　我們理

7、論上詳細討論了實驗上已經實現的腔自旋壓縮方案中各個參數對自旋壓縮的影響，與近共振的方案相比，我們發(fā)現失諧可以將腔壓縮度從原來的S-2/5大幅度提高到S-2/3，其中S是總自旋數。此外，我們還發(fā)現原子和腔之間弱的相互作用和大失諧可以加強原子系綜的自旋壓縮。解析結果表明，自旋壓縮來源于由激光驅動誘導的與自旋態(tài)相關的幾何相位，因此在這里大失諧非常重要。對于實際的物理系統來說，一些噪聲是不可避免的。我們分析了由于原子拉曼散射對自旋壓縮所產生的影

8、響，結果表明通過合適的失諧可以優(yōu)化自旋壓縮。大失諧激光驅動使進入到光學腔中的有效光場減少，因此需要更長的時間才能達到最優(yōu)的壓縮。在這種情況下，單自旋退相干不得不考慮，我們發(fā)現更強的驅動光可以有效的減弱這種噪聲對自旋壓縮的破壞。大失諧激光驅動也有可能激發(fā)光學腔的其他光學模式，我們對多模式光場與原子系綜的耦合也做了詳細的討論，發(fā)現其它光場模式對自旋壓縮的影響完全可以忽略。最后，我們將實驗上可實現的參數代入方案中，其結果說明通過失諧的調節(jié)來加

9、強自旋壓縮在目前的實驗條件下很容易實現。作為產生自旋壓縮的一個補充，基于此方案我們對通過測量來實現非經典態(tài)也做了一些討論。
　　3.氮-空穴(NV)色心體系中基于幾何相位的聲子誘導自旋壓縮
　　我們提出了一個通過單機械模式誘導幾何相位的方案來實現自旋壓縮，在這里NV鏈散射耦合到單機械振子上。幾何相位由于其自身的屬性，對聲子的初態(tài)非常不敏感，這是實驗上一個非常重要的優(yōu)勢。我們研究了在不同的熱噪聲和機械品質因子(Q)下的自旋壓縮

10、性質，結果表明完美單軸壓縮可以在熱噪聲和機械品質因子合適的比值下實現。在實際的物理體系中，NV鏈會與一些熱庫耦合，這種耦合引起了退相干，因此對自旋壓縮產生了破壞。我們通過動力學退耦合脈沖序列來抑制這種熱庫對自旋壓縮的影響，在高品質因子的金剛石氮-空穴自旋鏈中，我們可以實現完美的單軸自旋壓縮。最后，我們還提出了一些實驗上可行性的方案，還對一些實驗上已經實現的參數做了一些分析，結果表明我們提出的方案在目前的實驗條件下是可行的。
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11、.通過連續(xù)驅動氮-空穴(NV)自旋鏈產生壓縮穩(wěn)態(tài)
　　在NV自旋鏈全同地耦合到同一個光學模式的系統中，我們提出了通過連續(xù)光驅動NV自旋來產生自旋壓縮穩(wěn)態(tài)的方案。在滿足一定頻率匹配的條件下，我們通過旋波近似得到了系統的有效哈密頓量。該有效哈密頓量表明集體NV自旋暗態(tài)的存在，通過對這種暗態(tài)的研究，我們發(fā)現該暗態(tài)就是自旋壓縮態(tài)。這種自旋壓縮態(tài)可以通過光場的耗散方式來制備，因此耗散在這里成為了相干的來源。我們研究了在驅動光不同頻率和強度下