腔QED中连续变量纠缠态制备的理论研究

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量子纠缠是量子力学提供给我们的最重要和最宝贵的“资源”。正是因为量子纠缠,人们才能够突破经典力学的局限,从全新的视角去发展信息科学技术,完成一系列经典通讯不可能完成的任务。有关连续变量量子纠缠态的制备是量子光学与量子信息学的前沿研究领域,这主要是因为连续变量量子通讯可以达到很高的比特速率、极高的探测效率和大的通讯带宽,研究连续变量量子通讯网络具有良好的应用前景。因此,近年来关于连续变量纠缠态的制备受到了人们的广泛关注。另外,光与物质的相互作用是量子光学的重要研究内容,腔QED就是研究腔内的物质(通常是原子)与量子化光场的相互作用。随着量子信息学的发展,腔QED体系已经发展成一个重要的量子器件。本文主要在理论上研究利用腔QED体系制备连续变量纠缠态。本论文分为七章,其中第三章至第七章是本人的工作,具体内容安排如下:第一章首先介绍了量子信息学的诞生并且引入了量子纠缠的概念,然后对连续变量纠缠的定义、判据、应用以及研究现状做了简单介绍。最后给出了本论文的主要研究内容和章节安排。第二章介绍了光场与原子相互作用的基本理论。首先给出了光场量子态的连续描述、原子与光场相互作用的全量子理论,然后简单介绍了腔QED的概念、量子主方程的推导以及代数方法求解主方程。第三章研究了利用单原子-腔系统制备纠缠相干态的理论方案。我们考虑强场驱动下一个V型三能级原子与两模腔场的大失谐相互作用,选择原子初态为基态,可以得到关于腔场的类似于参量频率转换的有效哈密顿量。我们证明了当一个腔模处于真空态,另一个腔模处于猫态(也叫奇偶相干态)时,在有效哈密顿量的作用下,两个腔模最终可以演化为纠缠相干态。特别是一个腔模初始处于奇相干态时,可以得到最大纠缠相干态。最后我们给出了腔耗散下系统的解析解,并且分析了腔耗散对纠缠的影响。第四章提出了另一种利用两模单原子激光制备纠缠相干态的方案。我们考虑了一个A型三能级原子与两模腔场及三个经典场的大失谐相互作用,选择原子初态为基态,两个腔模处于真空态,经过相互作用后,对原子能级进行探测,腔场将会塌缩在一个宏观纠缠态上。我们证明了在很短的时间极限下,可以得到关于两模腔场的纠缠相干态。我们对纠缠度的性质进行了研究,发现纠缠度依赖于有效耦合常数和腔场耗散率的比值。第五章研究了两模腔场的输出纠缠和压缩。我们考虑了单个四能级原子与两模腔场的大失谐相互作用,通过绝热消除方法,得到两模腔场的有效哈密顿量。利用输入输出理论,我们证明了两模输出纠缠和压缩的存在。通过分析压缩谱,我们发现不对称的失谐量和不对称的原子初态将压缩劈裂成两个最小值,并且通过选择适当的腔场耗散率可以增强压缩。第六章研究了将单个四能级原子置于一个低Q腔中,其输出纠缠和压缩的性质。基于大失谐相互作用,通过绝热消除两个上能级,可以得到Jaynes-Commings相互作用和anti-Jaynes-Commings相互作用的哈密顿量。利用输入输出关系,我们得到两模场的输出纠缠和压缩,并且发现当两个腔模的耗散率相等时,最大纠缠与耗散率无关,但是可以通过有效耦合常数的比值来控制。第七章研究了三模连续变量纠缠态制备的理论方案。我们考虑一束四能级原子和三模腔以及三个经典场的大失谐相互作用,得到了腔外的三模连续变量纠缠态。根据三模纠缠判据,我们分析了三模纠缠的性质并且研究了有效耦合常数对关联的影响。论文的最后,给出了全文的总结和展望。
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