非經(jīng)典光場與原子相互作用系統(tǒng)中光場量子場熵演化特性研究.pdf

1、量子熵理論在量子光學(xué)和量子信息學(xué)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，已經(jīng)受到人們的極大關(guān)注。一方面，量子熵理論為研究并解決量子計算、量子通信、量子隱形傳態(tài)、量子測量等問題提供了理論基礎(chǔ)，從而促進了量子物理特別是量子信息學(xué)的進一步發(fā)展。另一方面，由于熵函數(shù)自動包含了系統(tǒng)密度矩陣的全部統(tǒng)計矩(即所有量子信息)，因而用量子熵確定光場與原子之間的量子糾纏程度、為場-原子相互作用系統(tǒng)所呈現(xiàn)的各種量子效應(yīng)的物理機制提供正確的量子解釋以及為其信息測量提供理論依據(jù)等方面

2、具有很大的優(yōu)越性。由此可見，對于場一原子相互作用系統(tǒng)中光場(或原子)量子場熵的時間演化特性以及場與原子之間量子糾纏現(xiàn)象的時間演化特征進行深入研究，不僅在量子光學(xué)領(lǐng)域，而且在量子信息學(xué)、量子光通信領(lǐng)域都是很重要的。 有鑒于此，本文以P-K量子熵理論和壓縮態(tài)理論為基礎(chǔ)，借助數(shù)值計算，對各種非經(jīng)典光場與原子相互作用系統(tǒng)中光場的量子場熵演化特性、場一原子之間量子糾纏的演化特征以及飛秒亮基孤子態(tài)光場量子噪聲的壓縮特性進行了系統(tǒng)研究，由此得

3、到了一系列新的結(jié)果和結(jié)論。主要研究結(jié)果如下： 1、研究了真空場與耦合雙能級原子相互作用系統(tǒng)中光場量子場熵的時間演化特性，通過數(shù)值計算發(fā)現(xiàn)光場量子場熵演化呈現(xiàn)出周期振蕩的雙峰及多峰結(jié)構(gòu)，原子間偶極相互作用的大小影響光場量子場熵演化的周期。隨著初態(tài)中兩原子同時處于低能級幾率的增大，光場量子場熵逐漸減小，其結(jié)果導(dǎo)致場與原子之間的量子糾纏減弱，特別是當(dāng)兩原子均處于低能級時，場與原子之間幾乎長時間處于退糾纏，反之亦然。 2、研究了

4、壓縮相干態(tài)光場與單個及兩個耦合雙能級原子相互作用系統(tǒng)中光場量子場熵的時間演化特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)初始光場的壓縮因子影響光場量子場熵演化的振蕩幅度，場一原子之間相互作用耦合強度和原子初始分布角影響場熵演化的周期性。而原子之間的耦合強度不僅影響光場量子場熵演化的振蕩性，而且影響其周期性。 3、研究了與兩等同Bell態(tài)糾纏原子相互作用的Fock態(tài)光場的量子場熵演化特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)兩等同雙能級原子初始處于第一種Bell態(tài)時，隨著初始光場強度

5、的增大，光場與Bell態(tài)原子之間的量子糾纏減弱；特別是當(dāng)時間為演化周期的整數(shù)倍時，場與原子相互作用系統(tǒng)處于退糾纏狀態(tài)；當(dāng)兩等同雙能級原子初始處于第二種Bell態(tài)時，光場量子場熵不隨時間變化，恒為零；當(dāng)兩等同雙能級原子初始分別處于第三種和第四種Bell態(tài)時，光場量子場熵的時間演化曲線呈現(xiàn)不等幅周期振蕩現(xiàn)象，并且隨著初始光場光子數(shù)的增加，光場量子場熵的振蕩周期逐漸增大，但振蕩幅值逐漸減小。這就為人們利用光場量子場熵演化特性，進一步部分地區(qū)分

6、和識別雙原子Bell態(tài)提供了重要的理論依據(jù)。 4、研究了多模光場與單個二能級原子任意Nj度簡并任意N∑光子共振相互作用及非簡并多光子(q光子)非共振相互作用系統(tǒng)中光場量子場熵的時間演化特性，得到了多模光場量子場熵隨時間演化的解析表達式，給出了光場為三模時的數(shù)值計算結(jié)果，并詳細討論了不同參量對光場量子場熵演化的影響。初始光場越強，場與原子之間的量子糾纏就越弱，當(dāng)光場足夠強時，光場和原子這兩個系統(tǒng)幾乎始終處于退糾纏狀態(tài)。光場量子場熵

7、強烈地依賴于原子初始分布角，光場與原子總是處于糾纏態(tài)，并且在短時間的振蕩之后幾乎停留在最大糾纏態(tài)，而原子初始分布角越大，光場量子場熵演化到其最大值的時間就越短。原子初始偶極相位角對場與原子之間的量子糾纏幾乎沒有影響。當(dāng)共振或者近共振時，場與原子之間相互作用的頻率失諧量幾乎不影響場與原子之間的糾纏特性；而當(dāng)遠離共振時，光場量子場熵強烈地依賴于頻率失諧量的大小，特別是當(dāng)頻率失諧量足夠大時，場與原子幾乎總是處于糾纏態(tài)。 5、研究了多模

8、光場與兩等同非耦合雙能級原子任意Nj艘簡并任意N∑光子及非簡并多光子(q光子)非共振相互作用系統(tǒng)光場量子場熵的時間演化特性，得知當(dāng)兩模光場具有相同的光簡并度時，多光子相互作用過程中光場量子場熵的最大值明顯小于單光子相互作用過程中的光場量子場熵最大值，且隨著參與相互作用的光子數(shù)目的增多，光場量子場熵的最大值增大。當(dāng)兩模光場具有不同的光子簡并度時，簡并度差值越大，光場量子場熵演化的最大值及均值越大。當(dāng)雙模光場具有相同的初始平均光子數(shù)時，隨著

9、平均光子數(shù)的增大，光場量子場熵演化的周期性越來越明顯，最大值越來越小直至趨于零值，振蕩幅度也越來越小直至近似為一條直線。而當(dāng)雙模場具有不同的初始平均光子數(shù)時，隨著平均光子數(shù)差值的增大，光場量子場熵演化的周期性越來越明顯。當(dāng)失諧量較小時，光場量子場熵演化曲線的變化不太明顯，當(dāng)遠離共振時，光場量子場熵很強地依賴于失諧量的大小，特別是當(dāng)失諧量足夠大時，場與原子幾乎總是處于糾纏態(tài)。 6、基于皮秒亮孤子態(tài)光場中光子的定域產(chǎn)生算符和湮滅算符

10、與自由光場中光子的產(chǎn)生算符和湮滅算符一樣，從而仿照標準Jaynes-Cummings模型，研究了皮秒亮基孤子態(tài)JCM及Kerr介質(zhì)中簡并k光子皮秒亮基孤子態(tài)JCM中光場的量子場熵演化特性，得到：初始光強不僅影響光場量子場熵演化的最值和振蕩幅度，而且影響場熵演化的平均值，而場與原子之間的耦合強度影響光場量子場熵演化的周期和其無規(guī)則振蕩的劇烈程度。當(dāng)克爾介質(zhì)的非線性相互作用較弱時，光場量子場熵很快就演化到其最大值，并長時間地在最大值附近振蕩