基于耦合腔—玻色—爱因斯坦凝聚系统的量子效应及其操控

【摘要】腔量子电动力学(腔QED)描述了物质与谐振装置中的电磁场的相干作用,是量子信息处理的理想平台。实验上,利用高品质的谐振腔实现了原子和谐振腔的强耦合。在强耦合区域,腔场光子逃逸出腔外前,该光子已和腔内原子进行了多次的相干作用。这对于量子态工程和量子信息处理是非常重要的,实现原子气体和谐振腔强耦合很困难,原因在于原子气体具有很多自由度而难以控制。幸运地是,稀薄原子气体的玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)的实现解决了这个困难。BEC中,所有的原子都处于一个相同的量子态,这大大地减少了原子气体的自由度。BEC的运动甚至能用一个单模的物质波场描述。瑞士的Brennecke等人于2007年首次实现了BEC和一个高品质的法布里-珀罗腔光学腔的强耦合并且测量出这个耦合腔-BEC系统的能谱。从此耦合腔-BEC系统的研究成为一个热点课题。最近文献[Nature464,1301(2010)]报道了利用耦合腔-BEC系统模拟出了狄克模型中预言的狄克量子相变。本论文我们主要研究基于该耦合腔-BEC系统下的量子效应及其操控。第一章我们主要介绍耦合腔-BEC系统的国内外研究现状以及它的研究意义。第二章我们对耦合腔-BEC系统做一个简单的介绍。重点介绍基于二维耦合腔-BEC系统的狄克模型以及狄克量子相变。然后介绍一个基于一维耦合腔-BEC系统的玻色-哈伯德模型。第三章我们研究了一个掺杂的耦合腔-BEC系统。基于该系统,提出一个广义的狄克模型-掺杂狄克模型,进而引入一个新的相变参数-杂质比特的布居差。发现杂质比特能够诱导耦合腔-BEC系统发生狄克量子相变。通过调节杂质比特的布居差,可以有效地降低光学腔与BEC发生狄克量子相变的临界耦合强度,这为方便地观察狄克量子相变以及研究狄克量子相变相关的量子效应提供了一个技术方案。第四章我们研究了一个两量子比特-耦合腔-BEC复合系统。发现对于同时射入腔中且只和腔场相互作用的两个量子比特来说,耦合腔-BEC系统等效于一个可控的退相位环境。退相位的衰减因子正比于腔场光子数在狄克哈密顿量基态下的涨落。该光子数的涨落可通过泵浦光来调控。我们继而研究了两个无耦合的量子比特间的量子关联在退相位环境中的动力学行为。发现对于初始态为X-型的量子态,两个量子比特之间的量子关联在特定条件下能够随着时间的演化而稳定的放大。因此利用耦合腔-BEC系统能放大射入腔中的两量子比特间的量子关联。最后我们给出了腔场光子数涨落在腔与BEC整个耦合区域的解析表达式,发现腔场光子数涨落在量子相变点附近急剧地增大。因而调控耦合腔-BEC系统的相变参数能敏感地放大两个量子比特之间的量子关联。第五章我们研究了光学腔中两分量的BEC在双势阱间的隧穿动力学。发现光学腔能够诱导出一个有效的隧穿强度。当每个分量的BEC引起腔场本征频率的移动量不同时,每个分量BEC的有效隧穿强度存在差异,且这种差异可通过泵浦光来调控。我们继而研究了两分量BEC的空间分离度、混合度以及纠缠动力学。发现当两分量BEC的隧穿强度存在差异且可调控时,在隧穿动力学过程中会出现很多新奇的量子效应,如两分量BEC在双势阱中的空间分离,两原子场模间纠缠的完全转移等。控制两分量BEC在双势阱间的隧穿强度可制备任意混合度的两分量BEC。这表明如果把其中的一个分量BEC看成杂质,腔-双势阱-两分量BEC系统可看成一个量子掺杂装置。第六章我们对本论文做一个总结和展望。
【作者】袁季兵；
【导师】匡乐满；
【作者基本信息】湖南师范大学，理论物理，2014，博士
【关键词】玻色-爱因斯坦凝聚；光学腔；狄克模型；狄克量子相变；杂质；量子关联；隧穿动力学；

【参考文献】
[1]甄宗雷.集控式机器人足球决策系统研究[D].天津大学,机械电子工程,2004,硕士.
[2]赵倩.公共邻接距离基因组片段填充问题研究[D].山东大学,计算机软件与理论,2013,硕士.
[3]司桂芳.基于城市环境的车载自组织网络路由协议研究[D].南京邮电大学,通信与信息系统,2013,硕士.
[4]谢昆.中国城市化率与经济发展水平之间关系的研究[D].南京大学,国民经济学,2013,硕士.
[5]李宁宁.跨区域型房地产企业管控模式研究[D].北京交通大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[6]王京涛.全承载式客车车身结构有限元分析[D].中北大学,车辆工程,2013,硕士.
[7]吕妍.俄国农村女性外出打工问题研究（1861-1917）[D].吉林大学,世界史,2014,硕士.
[8]凌海云.基于语义网的智能搜索技术的研究与实现[D].电子科技大学,2004.
[9]周家砚.高表达RYBP基因对间充质干细胞增殖与凋亡的影响[D].广州医科大学,内科学,2013,硕士.
[10]李子月.高动态下GPS/SINS超紧组合导航系统研究[D].浙江大学,控制工程（专业学位）,2013,硕士.
[11]柳香.云计算环境下的计算模型性能优化研究[D].河北师范大学,计算机应用技术,2012,硕士.
[12]李正欣,张凤鸣,李克武.多元时间序列模式匹配方法研究[J].控制与决策,2011,04:565-570.
[13]邱伟伟.基于网络编码的Ad hoc网络多径路由技术研究[D].杭州电子科技大学,计算机应用技术,2011,硕士.
[14]吴韬.肠道菌群和胆道菌群多样性与胆石病的相关性研究[D].昆明医科大学,外科学,2014,博士.
[15]徐君,陈文杰,徐德鸿,陈敏.电网低次谐波电压下双馈风电系统定子谐波电流抑制[J].电力系统自动化,2011,08:87-92.
[16]范泓洋.冠状动脉左主干病变冠脉旁路移植术风险预测模型评估[D].北京协和医学院,临床医学,2014,博士.
[17]吕殿君.微网的控制策略研究[D].哈尔滨工业大学,电气工程,2013,硕士.
[18]周欢庆.交织对无缝运动内衣性能的影响研究[D].北京服装学院,纺织材料与纺织品设计,2012,硕士.
[19]滕秀池.清热解毒法干预脓毒症毒热证的临床研究[D].大连医科大学,急诊医学,2012,硕士.
[20]顾保钟.液化气供应现状与扩大应用[J].城市公用事业.1995(06)
[21]邹海江.大佛寺井田煤层气可采性研究[D].长安大学,地质工程,2013,硕士.
[22]于峰,牛荻涛.氯离子环境下聚氯乙烯-碳纤维增强复合材料管混凝土柱轴压性能试验研究[J].建筑结构学报,2014,S2:159-164.
[23]邹艺.Kriging模型在计算机试验中的应用[D].苏州大学,概率论与数理统计,2014,硕士.
[24]李坤堂.硅纳米线异质结及有机杂化太阳能电池制备和性能研究[D].常州大学,2014.
[25]解勇.基于SSI框架的中小型企业网站新闻发布系统的设计与实现[D].吉林大学,软件工程,2014,硕士.
[26]李选福.高电化学性能石墨烯的制备、表征及在超级电容器中的应用[D].宁波大学,2013.
[27]韩爱良.试论黄宾虹山水画中的模糊美[D].西安美术学院,美术学,2014,硕士.
[28]陈云红.关于科技企业孵化器知识服务能力的案例研究[D].天津大学,公共管理,2013,硕士.
[29]周子康.盘基网柄菌（Dictyostelium discoideum）突变型细胞allC细胞周期异常的研究[D].华东师范大学,动物学,2013,硕士.
[30]张鹏.基于CAN总线技术的小电流接地保护装置研究与实现[D].大连理工大学,模式识别与智能系统,2004,硕士.
[31]房倩.高速铁路隧道支护与围岩作用关系研究[D].北京交通大学,2010.
[32]曾伟.基于JPEG2000的高速二进制算术编码器研究[D].西安电子科技大学,计算机应用技术,2011,硕士.
[33]王静.农杆菌介导Δ~6-脂肪酸脱氢酶基因转化棉花体系的优化[D].新疆大学,植物学,2013,硕士.
[34]于元旭.内套拱法加固石拱桥的应用研究[D].内蒙古科技大学,结构工程,2013,硕士.
[35]张敏.植物生长调节剂在欧美杂交种葡萄无核大粒化栽培中的应用[D].浙江大学,农业推广（专业学位）,2012,硕士.
[36]薛建荣.基于金填充光子晶体光纤偏振分束特性分析[D].燕山大学,光学,2014,硕士.
[37]刘磊.华北地区农村住宅节能保温调查研究[D].燕山大学,建筑与土木工程,2013,硕士.
[38]吴卫华.论情势变更原则在建设工程施工合同中的适用[D].华中科技大学,法律,2013,硕士.
[39]徐婷.《体坛周报》奥运报道演变研究[D].苏州大学,新闻与传播学（专业学位）,2014,硕士.
[40]郭君茹.工商银行SW分行运营效率提升策略研究[D].南京农业大学,金融管理,2013,硕士.
[41]万福成.SSH技术在藏语/汉语远程教育系统中的应用研究[D].西北民族大学,计算机应用技术,2012,硕士.
[42]李昊.无筋扩展基础的受力性能研究[D].北京交通大学,2014.
[43]岳增伟.初中语文读写一体化教学研究与实践[D].山东师范大学,学科教学（专业学位）,2013,硕士.
[44]李慧敏.地方高校硕士研究生就业困难的市场阻隔因素研究[D].湖南师范大学,教育经济与管理,2013,硕士.
[45]薛鹏辉.三种药用植物内生真菌及一种藏药次级代谢产物的生物活性研究[D].兰州理工大学,微生物与生化药学,2013,硕士.
[46]胡鸿基.福建龙净环保股份有限公司管理体制改革创新研究[D].厦门大学,工商管理（EMBA）,2014,硕士.
[47]刘瑞娟.梁代萧氏三兄弟文学观差异及原因探究[D].青海师范大学,中国古代文学,2012,硕士.
[48]宗荣.JWF1207梳棉机锡林机构的分析与研究[D].青岛科技大学,机械制造及其自动化,2012,硕士.
[49]诸葛承祥.基于自组织理论的城市交通和土地利用动态演化机理研究[D].北京交通大学,2014.
[50]胡懋昌.浅谈泵国际标准[J].水泵技术.1995(01)