光腔中原子系綜的量子糾纏和量子相變性質的研究

《光腔中原子系綜的量子糾纏和量子相變性質的研究》是依託華中師範大學，由李高翔擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：光腔中原子系綜的量子糾纏和量子相變性質的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：李高翔
• 依託單位：華中師範大學

項目摘要

本申請項目將深入研究單個環行光腔和耦合光腔陣列中熱原子系綜和冷原子系綜中的量子糾纏和量子相變特性。重點考察環行腔場和驅動雷射場在冷原子系綜中誘導的同向和反向拉曼雙（多）光子激發對冷原子系綜性質的影響，結合量子熱庫操控方法，提出製備多原子系綜的多模連續變數Cluster糾纏態的方案，尋求操控這些糾纏態的有效方法，研究這些糾纏態在利用原子系綜實現連續變數Quantum Teamwork等量子信息處理中的套用。同時研究囚禁於環行光腔中冷原子系綜的量子相變性質，著重考察在同向和反向拉曼雙（多）光子激發的共同作用下冷原子系綜所展現的不同於理想Dicke模型和Lipkin-Meshkov-Glick模型的相變特性，為實驗觀測量子相變及其與量子糾纏之間的關係提供可行的方案。我們還將研究囚禁於強耦合光腔陣列中的多個冷原子系綜的量子相變和量子糾纏特性，揭示量子相變與多體量子糾纏之間的關係。

結題摘要

本項目按計畫完成了相關的研究工作，同時將我們的研究工作拓展到量子點體系和光力機械振子系統的量子光學性質等方面。在該項目的資助下，我們發表SCI論文30篇，其中在Phys. Rev. A發表論文17篇， 在Opt. Express上發表論文3篇，在New. J. Phys.上發表論文1篇。課題組先後共有 12 名研究生參加了本項研究工作，其中4人獲博士學位，5人獲碩士學位。成果如下：我們首先研究了囚禁於環行光腔單個冷原子系綜的相干性和糾纏性質，這裡我們假設原子系綜中原子數N是有限大小的。我們發現，在滿足拉曼雙光子共振條件下，行波雷射場的驅動和腔場的共同作用可導致冷原子系綜發生同向和反向拉曼雙光子激發，這兩種雙光子激發使得原子與光場的耦合依賴於原子的空間位置分布和原子數N的大小。原子系綜的有限大小導致兩相向傳播的腔模光場彼此間可存在一階相干特性，這種相干特性與原子的空間分布和原子數的多少直接相關，這一特性可用於測量光晶格的長度。這一體系可實現廣義Dicke模型，可出現兩個Dicke相變點，兩相變點的出現與原子數的多少和原子的空間分布密切相關。我們還發現由於冷原子系綜中所發生的同向和反向拉曼雙光子激發，兩腔模輸出光場不同頻帶具有糾纏。進而，利用我們提出的多步熱庫操控方法，通過選擇驅動原子的雷射脈衝的振幅和相對相位，藉助於腔模的耗散作用，提出了將四個原子系綜確定性地製備於方型四模連續變數Cluster糾纏純態的方案。進一步，我們將四個原子系綜分別放置於四個遠距離的光腔中，每個光腔中至放置一個原子系綜，四個光腔之間用光纖連線。通過適當地調整雷射的拉比頻率和相位來驅動並控制四能級原子組成的系綜，可以確定性的製備四模線性Cluster糾纏態。我們還詳細研究了在單模納米機械腔內產生的量子糾纏與量子相干效應，這裡單模納米機械腔內放置了光學晶格,每一個格點囚禁一個二能級原子，揭示了系統糾纏的產生和一階相干之間的關係。 我們研究了電子與聲子的相互作用對單量子點雷射性質的影響, 我們發現，當光腔的衰減率接近或者小於量子點受聲子調控的自發衰變率時，腔場的光子統計服從亞泊松分布。我們提出了利用光與機械振子耦合體系來產生連續變數的多色多組分的糾纏光以及利用光力耦合和光腔串聯實現空間遠距離振動鏡子間的量子糾纏；我們系統研究了如何將光力機械振子高效、快速冷卻至基態。