原子與腔場相互作用體系的量子退相干研究.pdf

1、量子力學(xué)是20世紀(jì)科學(xué)發(fā)展過程中最重要的理論之一。隨著量子計算和量子信息學(xué)等眾多以量子力學(xué)為基礎(chǔ)的全新領(lǐng)域地興起，量子理論在推動現(xiàn)代社會進(jìn)步過程中展現(xiàn)出了愈發(fā)重要的作用。利用量子理論來研究并設(shè)計量子器件，進(jìn)而構(gòu)造量子儀器及機械已經(jīng)成為現(xiàn)今無論是理論基礎(chǔ)還是實驗應(yīng)用方面的重要研究方向。由于原子與腔場相互作用體系的高品質(zhì)、易于制備等特性使其成為實現(xiàn)這些研究的一個重要平臺，基于其良好特性進(jìn)行高精度的量子度量成為近年來的研究新熱點。實現(xiàn)精密量子

2、測量的一個關(guān)鍵技術(shù)問題是如何控制腔場相互作用體系中的量子退相干--這是量子力學(xué)區(qū)別于經(jīng)典力學(xué)的一個根本特性。然而，當(dāng)量子系統(tǒng)與外界環(huán)境相互作用時，卻不可避免地會導(dǎo)致系統(tǒng)的量子退相干。另外，研究量子退相干問題對于人們更好的理解經(jīng)典世界和量子世界的過渡，有重要意義。
　　本文通過開展一系列原子與腔場相互作用體系的量子退相干方面的探索性研究，為有關(guān)量子儀器及機械的基礎(chǔ)理論提供了研究依據(jù)，并介紹這些理論在以量子度量學(xué)為代表的精密測量領(lǐng)域的

3、重要應(yīng)用。本文共分八章，主要研究工作如下：
　　第一章和第二章：簡要介紹了本研究課題的背景及其現(xiàn)狀，回顧了量子退相干、壓縮態(tài)、準(zhǔn)模理論的研究歷史，介紹了密度算符、退相干、輻射場量子化、壓縮態(tài)以及自發(fā)輻射等概念和原理。
　　第三章：根據(jù)環(huán)境誘導(dǎo)退相干的理論，研究了一個原子與一個處于壓縮真空態(tài)的單模光場相互作用時，原子與光場之間的耦合所導(dǎo)致的原子空間退相干問題。研究表明，當(dāng)腔場中存在一個運動的原子時，腔場與原子內(nèi)部能態(tài)的耦合會誘

4、導(dǎo)原子自發(fā)輻射，使得原子質(zhì)心運動發(fā)生退相干，并以此揭示了退相干因子對量子儀器模擬一些物理現(xiàn)象的影響。
　　第四章：研究原子的空間退相干因子，分析腔場的壓縮系數(shù)對原子空間相干性的影響，研究單個二能級原子與真空電磁場相互作用對原子質(zhì)心運動量子退相干的影響，并分析了原子躍遷和原子自發(fā)輻射對質(zhì)心運動相干性的影響，發(fā)現(xiàn)了一些新量子現(xiàn)象。結(jié)果表明，原子的自發(fā)輻射導(dǎo)致了原子空間自由度與真空場之間產(chǎn)生了量子糾纏，破壞原子質(zhì)心運動的相干性。從而對如

5、何調(diào)節(jié)量子器件參數(shù)來保證其可靠性提出了一些新的理論依據(jù)。
　　第五章：研究一個二能級原子置于一個一維耗散腔時，原子的動力學(xué)耗散。計算得到腔中原子的動態(tài)衰減率，并討論了原子與腔模式之間的失諧量和腔的尺寸對原子衰減率的影響，得到了一些新的基于準(zhǔn)模理論的結(jié)果。原子和場模式之間的失諧量不同時，原子衰減率不同。失諧量越大，原子衰減率越小。并且腔的尺寸也影響原子的衰減率，隨著腔的長度增大，原子衰減率越小。
　　第六章：研究機械振子對置入

6、耦合系統(tǒng)中的原子狀態(tài)產(chǎn)生的影響。考慮了在機械振子耦合光腔中原子退相干的問題。結(jié)果表明，整個系統(tǒng)若不存在耗散，且無外驅(qū)動情況下，原子不存在退相干，機械振子的振動狀態(tài)只會改變原子相干性的演化周期；當(dāng)系統(tǒng)存在耗散時，并且系統(tǒng)與驅(qū)動場非共振情況下，外場和機械振子的振動狀態(tài)不會減緩原子的退相干。由此可見，機械振子與耗散扮演角色之間的區(qū)別和聯(lián)系能夠揭示一些重要的物理現(xiàn)象。
　　第七章：介紹原子與腔場相互作用體系在以量子度量學(xué)為代表的精密測量領(lǐng)