發(fā)布時間：2020-11-11 05:57

　　 隨著量子計算和量子信息技術的發(fā)展,越來越多的人開始關注對微觀量子態(tài)的操作和調控問題。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,已經成為量子信息載體的理想候選者。相比于其它有質量的微觀粒子,光子在應用上具有速度快、容量大、抗干擾能力強和保密性好等優(yōu)點。近些年,通過利用光子與物質之間的有效相互作用來實現(xiàn)對光子態(tài)的操控已經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和波導電動力學現(xiàn)在已經變成了量子光學中的兩個重要分支。在波導電動力學中,光子可以沿著波導進行傳播,根據量子力學原理,在波導中的光子會發(fā)生退相干現(xiàn)象。目前實驗上已經實現(xiàn)了多種不同類型的高品質波導,例如光子晶體波導、超導傳輸線波導、納米光纖、表面等離子體波導等,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系統(tǒng)中,耦合腔陣列波導由于其豐富的物理現(xiàn)象和能譜結構逐漸引起了人們的廣泛關注。對耦合腔陣列系統(tǒng)中的光開關效應、動力學問題、束縛態(tài)問題、相干的量子輸運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,還能夠幫助設計出在量子信息處理中所需要的量子器件和量子網絡。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中與量子發(fā)射器發(fā)生耦合的發(fā)展狀況以及該系統(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)的相干輸運問題。在第三章中,我們研究了一維耦合腔波導與三能級量子發(fā)射器耦合的系統(tǒng),對其中的束縛態(tài)和自發(fā)輻射問題進行了計算和討論。在第四章中,我們研究了一維耦合腔波導與量子發(fā)射器系綜相耦合的系統(tǒng),對其中的能級結構和單光子集體性動力學問題進行了分析和討論。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中引起的囚禁效應進行了分析和討論。在最后一章中,我們對全文的內容進行了總結,并且對接下來可能的工作做出一些展望。
【學位單位】：中國工程物理研究院
【學位級別】：博士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：O413
【部分圖文】：

?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??耦合機制的真空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)射器的耦合強度外，越來??越多的人開始關注量子發(fā)射器與波導中的耦合，即波導ＱＥＤ，波導ＱＥＤ是實現(xiàn)最丫？網??絡的最理想方案。由于在波導中光子的分布空間受到波導壁的限制，發(fā)射器與光子??的耦合強度也會明顯地高于在真空中的耦合強度。此外，由于空間維度的減少，波導??中光子之間的千涉效應會明顯地增加，很多非線性光學現(xiàn)象都能夠在波導中被觀察??到ｎｓ－ｍ。與腔ＱＥＤ相比，波導ＱＥＤ存在明顯的＋同，在腔ＱＥＤ中，共振腔內只能存在??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ＱＥＤ屮，光子的頻率＂Ｊ■以不固定。在波導的端ＩＩ處，光ｆ態(tài)可以很容易??地被耦合進入波導或者從波導中被放出，光子進出波導的效率高于光子進入其它模式??的效率。目前，常見的波導平臺有光子晶體１１８＿２１１，超導傳輸線ｌ２２￣Ｍ，納米纖維１２Ｗ７］，??表明等離子體［２Ｓ＿３２］，電介質［３３３４］，鉆石結構［３５，３６］，耦合腔系統(tǒng)［３７］等等。不同的波導??具有不同的色散關系，光子在波導中的轉播速度由光子的頻率對應的群速度決定，光??ｆ具

?第１章引言???圖１．２光子晶體波導示意圖？。??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。當環(huán)境溫度下降到超??導體的臨界溫度以下時，超導體中的電子兩兩配對形成庫伯對實現(xiàn)超導狀態(tài)，在超導??態(tài)與正常態(tài)之間存在超導能隙。因為超導能隙的存在，當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傳輸線內活動。在這樣的波導中，光子可以與超導??量子電路之間實現(xiàn)很強的耦合作用，許多在傳統(tǒng)的腔Ｑｒｏ系統(tǒng)中很難見到的高階扉：子??效應都可以在這樣的系統(tǒng)中被觀察到。例如，巨克爾效應、多光子過程和單原子誘導??的微波光子雙穩(wěn)態(tài)。２０１０年，Ａｓｔａｆｉｅｖ等人將一個超導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。當功率可變的相干探測信號通過傳輸線傳播到超導量子比特時，超導量子比??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，量子比特只能與一個單光子發(fā)生能量交換。文獻１２２１通過掃描不同??頻率的探測信號進入傳輸線，觀察到了高達９４％的透射光消光系數（ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ?ｏｆ?ｔｈｅ??ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ），這遠高于三維自由空間中通過聚焦透鏡到達的７％－丨２％［７７－８１］。不久之??后，２０１１年，Ｈｏｉ等人將超導傳輸子量子比特耦合到超導傳輸線上，實現(xiàn)了９９．６％的透??射光消光系數［２３］。??１．３．２．３表面等離子體波導??表面等離７體波導是借助兩種介質分界面處形成的等離子體傳播光子

?第１章引言???圖１．３超導傳輸線與超導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衰減。兩種介質通常由金屬和電介??質組成，在兩種介質的分界面處，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中進行傳播。ＳＰＰ模有幾個明顯??的特點：（１）?ＳＰＰ模在介質的分界面處呈現(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??表面進行傳播時，由于損耗的存在，會發(fā)生衰減現(xiàn)象。（３）波導中的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／電介質表面的分布情況。由于光子場被高度地??局域在介質的分界面處，這使得光子能夠像在其它波導中一樣在表面等離子體波導中??進行傳播。近些年，在表面等離子體波導中實現(xiàn)與量子發(fā)射器的強耦合效應引起了人??們的廣泛關注。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??波導與其它微米級的波導系統(tǒng)相比更容易實現(xiàn)與量子發(fā)射器的強耦合［８２］。目前，己經??在等離子體波導中實現(xiàn)強耦合的量子發(fā)射器有Ｊ－聚集體（Ｊ－ａｇｇｒｅｇａｔｅｓ）?［８３＿９（＾染料分??子叫－９３］和量子點由于ｓｐｐ模在波導中傳播存在損耗現(xiàn)象，因此與其它光學波導??系統(tǒng)相比，在等離子體波導中由強耦合實現(xiàn)的復合模的壽命更加的短。在退相干發(fā)生??之前
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