分子腔量子電動力學（quantum electrodynamics,QED）是量子光學領域中一個新興的研究方向,其主要描述了分子與腔內量子化電磁場之間的相互作用。因為分子腔QED系統(tǒng)在很大程度上可以抑制系統(tǒng)各個自由度的消相干,所以導致了分子與量子化電磁場在動力學特征時間尺度內可以保持較好的量子相干性。迄今為止,分子腔QED已經在理論和實驗上得到了廣泛的研究。近年來,隨著實驗技術水平的提高和納米技術的快速發(fā)展,目前已經在實驗中實現(xiàn)了單個分子在常溫下與等離子體納米腔的強耦合,也就是利用單個分子也能夠產生可觀察的物理效應。分子腔QED有著廣闊的發(fā)展前景,未來在量子光學方向具有很多實際的應用。例如,多個自由度的分子與量子化電磁場的相互作用,可以用來進行量子態(tài)的制備以及研究量子態(tài)的的糾纏和相干性質。宏觀糾纏貓態(tài)是一種典型的量子態(tài),其不僅在研究量子物理的基本問題中具有重要意義,而且在連續(xù)變量量子信息處理和量子計量等現(xiàn)代量子技術中也有著廣泛的應用。本文基于分子腔QED系統(tǒng)展開,我們提出了一種在分子腔QED系統(tǒng)中產生宏觀糾纏貓態(tài)的方案。通過同時調節(jié)分子振動和腔場的共振頻率,可以顯著增強分子振動的位移,... 

【文章來源】：湖南師范大學湖南省 211工程院校

【文章頁數】：61 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

等離子體與分子振動相互作用的腔光力學模型(a)具有機械諧振性的光學腔（頂部面板）和包含拉曼活性的內部振動模式的分子的等離激元熱點（底部面板）的示意圖，其中分子繪制為通過彈簧連接的兩個有質量的小球

分子腔QED系統(tǒng)中宏觀糾纏貓態(tài)的制備大。也就是說當一個原子與一個高品質因子的腔耦合時，原子的自發(fā)輻射概率將會極大地增強。隨后腔QED就成為了一個研究熱點，慢慢出來了一系列與之相關的理論工作[38,39]。與此同時，人們在實驗上也進行了廣泛的探索。第一個關于抑制自發(fā)輻射的實驗工作是由Drexhage[40]等人完成的，他們將細染料薄膜放置在鏡片附近，發(fā)現(xiàn)其熒光衰竭減少高達百分之二十五，從而驗證了該效應的存在，此時在實驗上才有了實質性的進展。隨后Kleppner[41]提出，原子在空腔中的輻射性質與原子在自由空間中的輻射性質有著根本的不同,如果腔體的特征尺寸小于輻射波長，則抑制自發(fā)發(fā)射，如果腔體是共振的，則增強。對抑制或增強自發(fā)輻射的觀測都將為原子物理和宏觀電動力學之間提供一個有趣的橋梁，因此其成為了腔量子電動力學理論的一個重要里程碑。緊接著Kleppner的研究小組在實驗上獲得重大突破，于1985年利用法布里-珀羅腔對腔內的里德堡原子的自發(fā)輻射進行了成功地抑制，其結果就是原子的壽命得到了極大的提高，甚至提高到真空狀態(tài)時的幾十倍[42]，這樣原子與腔場相互作用的時間大大增長，從而促進了腔QED在理論和實驗上的進步，為腔QED的發(fā)展做出了杰出的貢獻。圖1-2:(a)用于觀察放置在等離子體腔中的分子的拉曼散射的裝置的示意圖。(b)由虛擬態(tài)|v介導的分子的兩個振動態(tài)(n=0→1)之間的雙光子非共振斯托克斯散射的示意圖。諧振勢（實線）近似于基態(tài)電子的能量分布（虛線）。(c)典型的等離激元腔模以可見范圍內的頻率ωc為中心，其寬度和品質因數Q=ωc/κ與ωc相關的衰減率κ相關。此圖片及描述來自于[48]。隨著腔量子電動力學實驗的進展,在很多物理系統(tǒng)中已經實現(xiàn)了粒子與腔場之間的-3-

湖南師范大學碩士學位論文圖1-3:(a)和(b)4D標度的聯(lián)合Wigner函數P+J(βA,βB)沿(a)Re(βA)-Re(βB)軸(b)Im(βA)-Im(βB)軸進行2D平面切割,其中相干幅度|α|=1.92。(c)和(d)4D標度的聯(lián)合Wigner函數PJ(βA,βB)沿(c)Re(βA)-Re(βB)軸和(d)Im(βA)-Im(βB)軸進行2D平面切割,其中相干幅度|α|=1.92。(e)：(a)和(c)中數據的對角線切割，對應于Re(βA)=Re(βB)和Im(βA)=Im(βB)=0。(f)：(b)和(d)中數據的對角線切割，對應于Im(βA)=Im(βB)和Re(βA)=Re(βB)=0。此圖片及描述來自于[88]。來。根據量子力學的理論，經過一段時間后，盒內的系統(tǒng)將處于下面形式的一個疊加態(tài)，|ψ=1√2(|e|Live+|g|Dead).(1-16)從公式中可以看出，在我們打開盒子進行觀察之前，貓應該處于死貓和活貓的疊加狀態(tài)。但顯然，在宏觀世界里面，既死又活的貓是荒謬的，這與我們日常的生活經驗發(fā)生了很大的矛盾。但是，隨著理論和實驗的發(fā)展，量子光學不僅在理論上提出了如何制備這類“貓態(tài)”，更在實驗上證明了它是的確存在的。這類問題實際上就是宏觀物理的量子現(xiàn)象，如超導電路、玻色-愛因斯坦凝聚等等。-8-


本文編號：3525007