光與物質(zhì)相互作用是自然界中基本的物理過程之一,而單個二能級系統(tǒng)與一個波色模相耦合,是最簡單的光與物質(zhì)相互作用模型。對該物理模型的理論研究和實驗研究加深了人們對量子力學的理解。作為該模型的物理實現(xiàn),腔量子電動力學（Cavity Quantum Electrodynamics,CQED）主要研究自然原子和腔光場之間的相互作用。經(jīng)過數(shù)十年的實驗研究,CQED系統(tǒng)已被證明是一個研究量子光學和量子信息處理的理想實驗平臺。此外隨著對量子世界不斷深入的理解,實驗技術條件的不斷發(fā)展以及與不同學科的交叉（如低溫物理學,超導,微波工程,凝聚態(tài)物理等）,人們認識到了將量子相干性作為新的資源帶入“現(xiàn)實世界”的可能性,例如通過控制光與物質(zhì)的相互作用來實現(xiàn)對量子信息的編碼,操控和讀�。戳孔有畔⑻幚恚�。而作為固態(tài)版本的CQED系統(tǒng),電路量子電動力學（Circuit QED）系統(tǒng)作為實現(xiàn)量子信息處理的可能系統(tǒng)引起人們的廣泛關注,該系統(tǒng)憑借其靈活的可操作性以及可擴展性已成為最有希望實現(xiàn)量子計算機的物理系統(tǒng)之一。在研究新的量子技術方案的背景下,本文主要探究了電路量子電動力學系統(tǒng)中新的光與人工原子間的有效相互作用的機制,... 

【文章來源】：南京大學江蘇省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：128 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

圖１．３：腔量子電動力學系統(tǒng)的示意圖［９８］

??的光學微腔中來實現(xiàn)光子與原子的強耦合（如圖１．３所示）。其能夠?qū)崿F(xiàn)光與原??子強耦合原理主要是，一方面腔的波色模的真空漲落分布受到腔的邊界條件限??制（即，減小了模式體積），從而增強了真空場強度。我們可以這樣考慮：一??般單個原子與一個腔模式的耦合可以看作是原子作為一個電偶極子（電偶極距??為ｐ?＝?其中ｇ為電荷量，；為正負電荷間的距離）與腔內(nèi)頻率為的模式的真??空電場（五〇為腔內(nèi)原子位置處的電場強度）之間的相互作用，即５＝７＾０。根據(jù)??光場的量子理論，真空零點能為心ｃ／２，則其中電場的能量為［１５，?９６］??＾?１１?Ｅ２ｄＶ?＝?ＥｊＥ２０Ｖ，?（１．６）??其中ｅｏ為真空極化率，■＾為模式體積。由上式我們可以得到真空電場強度與模??式體積的關系??／?Ｊｔｉｏｃ?ＩｆｋｏｃＺｖａｃｃ?（＼?ｉ＼??Ｅ〇?＝?Ｖ＾?＝?Ｖ－＾）?（?７）??這里忍ａｅ?？?３７７ｆ２

界的耦合的大小由兩端的電容大小決定�！侗硎境瑢Ч裁娌▽еC振腔內(nèi)的光子損耗速率，??７１和７＜分別表示超導量子比特的能量弛豫速率和純退相位速率。??子比特［１２６］等（如圖１．５所示）。在本世紀初，在這些系統(tǒng)中相繼觀測到了宏觀??量子現(xiàn)象（如拉比震蕩［１２７－１２９Ｐ以及完成了基本的量子操控（如單量子比特??門，兩量子比特門［１３０］）。這些實驗研宄引發(fā)了之后的基于超導量子電路系統(tǒng)??的量子信息處理新方案和量子光學的理論研究［［３１，１３２］。此外，這些研究為之??后的電路量子電動力學的建立提供了思路，指引了發(fā)展的方向。??１．３．２超導電路中的腔量子電動力學：電路量子電動力學??如上一子章節(jié)所述，超導量子電路可以作為人工原子來研宄宏觀量子現(xiàn)??象。以腔量子電動力學的概念和方法來研宄超導量子電路中電動力學，人們引??入了電路量子電動力學的框架。如圖１．６所示，在電路量子電動力學系統(tǒng)內(nèi)，超??導量子比特作為人工原子可以具有很大的有效電偶極距，可以到達自然原子??的１０到１００００倍的量級


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