【摘要】：光與物質(zhì)的相互作用理論及其應(yīng)用的研究一直是物理、材料、信息等學(xué)科的前沿研究問題。其中,腔量子電動(dòng)力學(xué)(Quantum electrodynamics,簡稱QED)是研究受限量子比特(原子、分子、人造原子等)與光學(xué)共振腔(或者微波腔)中量子化電磁場(chǎng)之間的相互作用的理論。近年來,隨著微納技術(shù)的發(fā)展,腔QED系統(tǒng)可以進(jìn)入強(qiáng)耦合(原子-場(chǎng)耦合強(qiáng)度大于系統(tǒng)的衰減率),甚至超強(qiáng)耦合(原子-場(chǎng)耦合強(qiáng)度接近系統(tǒng)的本征頻率)機(jī)制,并展現(xiàn)出許多新物理現(xiàn)象。例如,強(qiáng)耦合機(jī)制下的真空Rabi劈裂,相干布局轉(zhuǎn)換、量子糾纏以及超強(qiáng)耦合機(jī)制下的量子相變,基態(tài)兼并,量子真空輻射等�；谏鲜鲂�(yīng),腔量子電動(dòng)力學(xué)的研究不僅對(duì)于量子力學(xué)的發(fā)展、基本物理問題的理解以及新奇量子多體效應(yīng)探索有著重要的研究意義,而且有助于推動(dòng)光子、原子相干操控、量子模擬以及量子精密測(cè)量等高新技術(shù)的發(fā)展。雖然腔QED的研究已經(jīng)成為量子物理以及信息學(xué)科的重要研究課題,依然存在很多問題需要解決,比如超強(qiáng)耦合機(jī)制下可控動(dòng)力學(xué)的實(shí)現(xiàn)、腔QED系統(tǒng)中基態(tài)超輻射量子相變的存在依然有爭(zhēng)議等。針對(duì)上述問題,博士期間我們通過結(jié)合量子比特的非簡諧性以及光力相互作用,提出了如何在拓展腔QED系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)可控動(dòng)力學(xué)以及量子相變的理論方法,本文主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)部分:1.通過研究腔QED系統(tǒng)中量子比特的弱非簡諧性對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的影響,提出超強(qiáng)耦合機(jī)制下實(shí)現(xiàn)可控動(dòng)力學(xué)的理論方法。研究結(jié)果表明:在考慮了量子比特的弱非簡諧性的拓展的腔QED系統(tǒng)中,短脈沖可以通過改變系統(tǒng)瞬時(shí)本征態(tài)的交換對(duì)稱性來實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)耦合機(jī)制下的可開關(guān)的動(dòng)力學(xué)演化。這為超強(qiáng)耦合機(jī)制下的量子信息處理(比如超快量子門操作)提供了理論指導(dǎo)。2.我們研究了量子比特的弱非簡諧性對(duì)耦合腔QED系統(tǒng)中超流-Mott絕緣相變的影響,展示了平均場(chǎng)近似下系統(tǒng)的基態(tài)相圖。研究結(jié)果表明:量子比特的非簡諧性可以極大影響Mott絕緣相的分布區(qū)域。當(dāng)非簡性為零時(shí),單激發(fā)Mott絕緣區(qū)域消失。這為在具有弱非簡諧性的超導(dǎo)電路中執(zhí)行量子模擬提供了理論基礎(chǔ)。3.我們將光力耦合引入Dicke和Rabi模型描述的腔QED系統(tǒng)中,研究了拓展系統(tǒng)中的超輻射量子相變和聲子統(tǒng)計(jì)特性,發(fā)現(xiàn)單光子觸發(fā)超輻射量子相變和聲子阻塞現(xiàn)象。并且指出這里的量子相變不受腔QED系統(tǒng)中A~2項(xiàng)限制,突破了傳統(tǒng)超輻射相變理論中的No-go理論的限制。研究成果將啟發(fā)新型單光子探測(cè)技術(shù)以及相關(guān)單光子器件的研發(fā)。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O413;O572.31

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