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量子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的相干輸運(yùn)和單光子集體性動力學(xué)研究

發(fā)布時間:2020-11-11 05:57
   隨著量子計算和量子信息技術(shù)的發(fā)展,越來越多的人開始關(guān)注對微觀量子態(tài)的操作和調(diào)控問題。光子作為電磁場量子化的能量實體,與電磁環(huán)境沒有直接的相互作用,已經(jīng)成為量子信息載體的理想候選者。相比于其它有質(zhì)量的微觀粒子,光子在應(yīng)用上具有速度快、容量大、抗干擾能力強(qiáng)和保密性好等優(yōu)點(diǎn)。近些年,通過利用光子與物質(zhì)之間的有效相互作用來實現(xiàn)對光子態(tài)的操控已經(jīng)成為量子物理中的重要發(fā)展方向。研究表明,將量子發(fā)射器放入到受限空間中,光子與發(fā)射器之間的相互作用可以明顯地增加,由此發(fā)展而來的腔電動力學(xué)和波導(dǎo)電動力學(xué)現(xiàn)在已經(jīng)變成了量子光學(xué)中的兩個重要分支。在波導(dǎo)電動力學(xué)中,光子可以沿著波導(dǎo)進(jìn)行傳播,根據(jù)量子力學(xué)原理,在波導(dǎo)中的光子會發(fā)生退相干現(xiàn)象。目前實驗上已經(jīng)實現(xiàn)了多種不同類型的高品質(zhì)波導(dǎo),例如光子晶體波導(dǎo)、超導(dǎo)傳輸線波導(dǎo)、納米光纖、表面等離子體波導(dǎo)等,這為光子的長距離傳輸提供了良好的平臺。在這些不同類型的波導(dǎo)系統(tǒng)中,耦合腔陣列波導(dǎo)由于其豐富的物理現(xiàn)象和能譜結(jié)構(gòu)逐漸引起了人們的廣泛關(guān)注。對耦合腔陣列系統(tǒng)中的光開關(guān)效應(yīng)、動力學(xué)問題、束縛態(tài)問題、相干的量子輸運(yùn)問題等的研究不僅能夠幫助人們了解和掌握這個系統(tǒng)中的量子性質(zhì),還能夠幫助設(shè)計出在量子信息處理中所需要的量子器件和量子網(wǎng)絡(luò)。在第一章中,我們簡單介紹了光子的量子化發(fā)展過程和光子在受限波導(dǎo)中與量子發(fā)射器發(fā)生耦合的發(fā)展?fàn)顩r以及該系統(tǒng)的物理實現(xiàn)。在第二章中,我們研究了耦合腔波導(dǎo)與二能級量子發(fā)射器耦合的系統(tǒng),分析了一維和二維耦合腔陣列中單光子態(tài)的相干輸運(yùn)問題。在第三章中,我們研究了一維耦合腔波導(dǎo)與三能級量子發(fā)射器耦合的系統(tǒng),對其中的束縛態(tài)和自發(fā)輻射問題進(jìn)行了計算和討論。在第四章中,我們研究了一維耦合腔波導(dǎo)與量子發(fā)射器系綜相耦合的系統(tǒng),對其中的能級結(jié)構(gòu)和單光子集體性動力學(xué)問題進(jìn)行了分析和討論。在第五章中,我們分析了一般玻色場與原子集合耦合的系統(tǒng),對其中的束縛態(tài)和dark態(tài)在單光子集體性動力學(xué)中引起的囚禁效應(yīng)進(jìn)行了分析和討論。在最后一章中,我們對全文的內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié),并且對接下來可能的工作做出一些展望。
【學(xué)位單位】:中國工程物理研究院
【學(xué)位級別】:博士
【學(xué)位年份】:2020
【中圖分類】:O413
【部分圖文】:

示意圖,真空,波導(dǎo),示意圖


?第1章引言???y?Atomic??Laser?u?preparation??\???Atom?in?optical?\??m???conveyer??Atomic?\?J?Cavity?mirror??1?measurement??圖1.1真空測量中的腔QED示意圖Ml。??射被光腔所抑制的行為。1992年,同樣是在Cs原子中,Thompson等人觀測到表現(xiàn)出強(qiáng)??耦合機(jī)制的真空Rabi劈裂現(xiàn)象W。??除了將量子發(fā)生器放入受限的腔中可以提高光子與發(fā)射器的耦合強(qiáng)度外,越來??越多的人開始關(guān)注量子發(fā)射器與波導(dǎo)中的耦合,即波導(dǎo)QED,波導(dǎo)QED是實現(xiàn)最丫?網(wǎng)??絡(luò)的最理想方案。由于在波導(dǎo)中光子的分布空間受到波導(dǎo)壁的限制,發(fā)射器與光子??的耦合強(qiáng)度也會明顯地高于在真空中的耦合強(qiáng)度。此外,由于空間維度的減少,波導(dǎo)??中光子之間的千涉效應(yīng)會明顯地增加,很多非線性光學(xué)現(xiàn)象都能夠在波導(dǎo)中被觀察??到ns-m。與腔QED相比,波導(dǎo)QED存在明顯的+同,在腔QED中,共振腔內(nèi)只能存在??特定頻率的光子,光子的頻率帶寬非常的窄,這限制了光子與量子發(fā)射器的耦合效??率。而在波導(dǎo)QED屮,光子的頻率"J■以不固定。在波導(dǎo)的端II處,光f態(tài)可以很容易??地被耦合進(jìn)入波導(dǎo)或者從波導(dǎo)中被放出,光子進(jìn)出波導(dǎo)的效率高于光子進(jìn)入其它模式??的效率。目前,常見的波導(dǎo)平臺有光子晶體118_211,超導(dǎo)傳輸線l22 ̄M,納米纖維12W7],??表明等離子體[2S_32],電介質(zhì)[3334],鉆石結(jié)構(gòu)[35,36],耦合腔系統(tǒng)[37]等等。不同的波導(dǎo)??具有不同的色散關(guān)系,光子在波導(dǎo)中的轉(zhuǎn)播速度由光子的頻率對應(yīng)的群速度決定,光??f具

示意圖,光子晶體,波導(dǎo),示意圖


?第1章引言???圖1.2光子晶體波導(dǎo)示意圖?。??在》7尤量級的溫度下工作,其傳播的光子頻率一般在微波范圍。當(dāng)環(huán)境溫度下降到超??導(dǎo)體的臨界溫度以下時,超導(dǎo)體中的電子兩兩配對形成庫伯對實現(xiàn)超導(dǎo)狀態(tài),在超導(dǎo)??態(tài)與正常態(tài)之間存在超導(dǎo)能隙。因為超導(dǎo)能隙的存在,當(dāng)光子的頻率小于能隙的間隔??時,光子可以很好的被限制在超導(dǎo)傳輸線內(nèi)活動。在這樣的波導(dǎo)中,光子可以與超導(dǎo)??量子電路之間實現(xiàn)很強(qiáng)的耦合作用,許多在傳統(tǒng)的腔Qro系統(tǒng)中很難見到的高階扉:子??效應(yīng)都可以在這樣的系統(tǒng)中被觀察到。例如,巨克爾效應(yīng)、多光子過程和單原子誘導(dǎo)??的微波光子雙穩(wěn)態(tài)。2010年,Astafiev等人將一個超導(dǎo)磁通量子比特耦合到一個開微波??傳輸線上1221,不僅成功地觀察到了Mollow三重態(tài)現(xiàn)象,而且還看到了原子的共振反??射現(xiàn)象。當(dāng)功率可變的相干探測信號通過傳輸線傳播到超導(dǎo)量子比特時,超導(dǎo)量子比??特被探測信號激發(fā),然后往傳輸線的兩端等量地輻射光子,發(fā)射的光子與透射端的??探測信號發(fā)生相干相消,導(dǎo)致探測光子的反射。在量子比特的每一次激發(fā)到輻射的??弛豫時間范圍內(nèi),量子比特只能與一個單光子發(fā)生能量交換。文獻(xiàn)1221通過掃描不同??頻率的探測信號進(jìn)入傳輸線,觀察到了高達(dá)94%的透射光消光系數(shù)(extinction?of?the??transmission),這遠(yuǎn)高于三維自由空間中通過聚焦透鏡到達(dá)的7%-丨2%[77-81]。不久之??后,2011年,Hoi等人將超導(dǎo)傳輸子量子比特耦合到超導(dǎo)傳輸線上,實現(xiàn)了99.6%的透??射光消光系數(shù)[23]。??1.3.2.3表面等離子體波導(dǎo)??表面等離7體波導(dǎo)是借助兩種介質(zhì)分界面處形成的等離子體傳播光子

等效電路圖,量子比特,裝置圖,傳輸線


?第1章引言???圖1.3超導(dǎo)傳輸線與超導(dǎo)量子比特耦合裝置圖及其等效電路172]。??于分界面方向,光子的振幅隨著距離的增加呈指數(shù)衰減。兩種介質(zhì)通常由金屬和電介??質(zhì)組成,在兩種介質(zhì)的分界面處,光子可以與自由電子發(fā)生相互作用形成一種集體振??蕩形式的激發(fā),這種復(fù)合形式的激發(fā)稱為表面等離子激元(Surface?plasmonpolariton,??SPP)。光子以等離子激元的形式在表面等離子體波導(dǎo)中進(jìn)行傳播。SPP模有幾個明顯??的特點(diǎn):(1)?SPP模在介質(zhì)的分界面處呈現(xiàn)高度的局域化,在金屬表面的分布比在電介??質(zhì)表面的分布更集中,其分布深度與光子的波長處于相同的量級。(2)?SPP模在介質(zhì)??表面進(jìn)行傳播時,由于損耗的存在,會發(fā)生衰減現(xiàn)象。(3)波導(dǎo)中的SPP模的波矢比具??有相同頻率的自由光子的波矢更大,g卩SPP模的波長比具有相同頻率的自由光子的波??長更短。圖1.4給出了等離子激元在金屬/電介質(zhì)表面的分布情況。由于光子場被高度地??局域在介質(zhì)的分界面處,這使得光子能夠像在其它波導(dǎo)中一樣在表面等離子體波導(dǎo)中??進(jìn)行傳播。近些年,在表面等離子體波導(dǎo)中實現(xiàn)與量子發(fā)射器的強(qiáng)耦合效應(yīng)引起了人??們的廣泛關(guān)注。局域光子的界面通常在納米尺度,就空間尺度上來講,表面等離子體??波導(dǎo)與其它微米級的波導(dǎo)系統(tǒng)相比更容易實現(xiàn)與量子發(fā)射器的強(qiáng)耦合[82]。目前,己經(jīng)??在等離子體波導(dǎo)中實現(xiàn)強(qiáng)耦合的量子發(fā)射器有J-聚集體(J-aggregates)?[83_9(^染料分??子叫-93]和量子點(diǎn)由于spp模在波導(dǎo)中傳播存在損耗現(xiàn)象,因此與其它光學(xué)波導(dǎo)??系統(tǒng)相比,在等離子體波導(dǎo)中由強(qiáng)耦合實現(xiàn)的復(fù)合模的壽命更加的短。在退相干發(fā)生??之前
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