分子腔量子電動力學(xué)（quantum electrodynamics,QED）是量子光學(xué)領(lǐng)域中一個新興的研究方向,其主要描述了分子與腔內(nèi)量子化電磁場之間的相互作用。因?yàn)榉肿忧籕ED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(dǎo)致了分子與量子化電磁場在動力學(xué)特征時間尺度內(nèi)可以保持較好的量子相干性。迄今為止,分子腔QED已經(jīng)在理論和實(shí)驗(yàn)上得到了廣泛的研究。近年來,隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)水平的提高和納米技術(shù)的快速發(fā)展,目前已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了單個分子在常溫下與等離子體納米腔的強(qiáng)耦合,也就是利用單個分子也能夠產(chǎn)生可觀察的物理效應(yīng)。分子腔QED有著廣闊的發(fā)展前景,未來在量子光學(xué)方向具有很多實(shí)際的應(yīng)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(jìn)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(zhì)。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(jì)量等現(xiàn)代量子技術(shù)中也有著廣泛的應(yīng)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(chǎn)生宏觀糾纏貓態(tài)的方案。通過同時調(diào)節(jié)分子振動和腔場的共振頻率,可以顯著增強(qiáng)分子振動的位移,... 

【文章來源】：湖南師范大學(xué)湖南省 211工程院校

【文章頁數(shù)】：61 頁

【學(xué)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(xué)模型(a)具有機(jī)械諧振性的光學(xué)腔（頂部面板）和包含拉曼活性的內(nèi)部振動模式的分子的等離激元熱點(diǎn)（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(zhì)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(dāng)一個原子與一個高品質(zhì)因子的腔耦合時，原子的自發(fā)輻射概率將會極大地增強(qiáng)。隨后腔QED就成為了一個研究熱點(diǎn)，慢慢出來了一系列與之相關(guān)的理論工作[38,39]。與此同時，人們在實(shí)驗(yàn)上也進(jìn)行了廣泛的探索。第一個關(guān)于抑制自發(fā)輻射的實(shí)驗(yàn)工作是由Drexhage[40]等人完成的，他們將細(xì)染料薄膜放置在鏡片附近，發(fā)現(xiàn)其熒光衰竭減少高達(dá)百分之二十五，從而驗(yàn)證了該效應(yīng)的存在，此時在實(shí)驗(yàn)上才有了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。隨后Kleppner[41]提出，原子在空腔中的輻射性質(zhì)與原子在自由空間中的輻射性質(zhì)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(qiáng)。對抑制或增強(qiáng)自發(fā)輻射的觀測都將為原子物理和宏觀電動力學(xué)之間提供一個有趣的橋梁，因此其成為了腔量子電動力學(xué)理論的一個重要里程碑。緊接著Kleppner的研究小組在實(shí)驗(yàn)上獲得重大突破，于1985年利用法布里-珀羅腔對腔內(nèi)的里德堡原子的自發(fā)輻射進(jìn)行了成功地抑制，其結(jié)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(jìn)了腔QED在理論和實(shí)驗(yàn)上的進(jìn)步，為腔QED的發(fā)展做出了杰出的貢獻(xiàn)。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(dǎo)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(shí)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(nèi)的頻率ωc為中心，其寬度和品質(zhì)因數(shù)Q=ωc/κ與ωc相關(guān)的衰減率κ相關(guān)。此圖片及描述來自于[48]。隨著腔量子電動力學(xué)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展,在很多物理系統(tǒng)中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了粒子與腔場之間的-3-

湖南師范大學(xué)碩士學(xué)位論文圖1-3:(a)和(b)4D標(biāo)度的聯(lián)合Wigner函數(shù)P+J(βA,βB)沿(a)Re(βA)-Re(βB)軸(b)Im(βA)-Im(βB)軸進(jìn)行2D平面切割,其中相干幅度|α|=1.92。(c)和(d)4D標(biāo)度的聯(lián)合Wigner函數(shù)PJ(βA,βB)沿(c)Re(βA)-Re(βB)軸和(d)Im(βA)-Im(βB)軸進(jìn)行2D平面切割,其中相干幅度|α|=1.92。(e)：(a)和(c)中數(shù)據(jù)的對角線切割，對應(yīng)于Re(βA)=Re(βB)和Im(βA)=Im(βB)=0。(f)：(b)和(d)中數(shù)據(jù)的對角線切割，對應(yīng)于Im(βA)=Im(βB)和Re(βA)=Re(βB)=0。此圖片及描述來自于[88]。來。根據(jù)量子力學(xué)的理論，經(jīng)過一段時間后，盒內(nèi)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(jìn)行觀察之前，貓應(yīng)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?nèi)粘５纳罱?jīng)驗(yàn)發(fā)生了很大的矛盾。但是，隨著理論和實(shí)驗(yàn)的發(fā)展，量子光學(xué)不僅在理論上提出了如何制備這類“貓態(tài)”，更在實(shí)驗(yàn)上證明了它是的確存在的。這類問題實(shí)際上就是宏觀物理的量子現(xiàn)象，如超導(dǎo)電路、玻色-愛因斯坦凝聚等等。-8-


本文編號：3525007