【摘要】：隨著超冷原子,特別是原了玻色-愛因斯坦凝聚(BEC)的實(shí)現(xiàn),對(duì)超冷原子氣體的物質(zhì)波特性的研究逐漸形成了原子物質(zhì)波光學(xué)這門新的學(xué)科,它在量子信息、量子仿真和量子測(cè)量中發(fā)揮了重要作用。近年來,物質(zhì)波光學(xué)的研究逐漸拓展到量子物質(zhì)波光學(xué)領(lǐng)域。量子物質(zhì)波光學(xué)研究物質(zhì)波的非經(jīng)典性質(zhì)和物質(zhì)波非經(jīng)典態(tài)的制備。類比于光學(xué)中的非經(jīng)典態(tài),物質(zhì)波的非經(jīng)典態(tài)在干涉儀靈敏度的提高、檢驗(yàn)量子力學(xué)基本原理等方面有著重要的用途。而兩團(tuán)BEC碰撞過程中的自發(fā)四波混頻是產(chǎn)生量子關(guān)聯(lián)原子對(duì)的重要物理機(jī)制。處在不同自旋態(tài)上的原子之間的相互作用會(huì)引起自旋激發(fā),然而目前的研究忽略了該效應(yīng)。本文因此開展兩團(tuán)旋量BEC的四波混頻研究。首先我們介紹利用旋量BEC的自發(fā)四波混頻產(chǎn)生不同自旋分量原子之間的糾纏,然后進(jìn)一步探索自旋態(tài)上存在的少量原子作為經(jīng)典“種子”引起的參量放大現(xiàn)象,發(fā)展了物質(zhì)波受激四波混頻理論。另外自旋鏈作為量子多體物理中的一個(gè)重要模型,可以在固體以及光晶格中的BEC中實(shí)現(xiàn)。我們?cè)诒疚牡牡诹绿岢隽嗽诎胝麛?shù)高自旋鏈上實(shí)現(xiàn)信息傳遞和存儲(chǔ)的理論模型,并給出在現(xiàn)有技術(shù)條件下的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)方案。本論文的主要結(jié)論有以下幾個(gè)方面：(1)我們考慮囚禁在磁阱中處在F=1超精細(xì)態(tài)下mF,=0磁子能級(jí)的BEC。這團(tuán)BEC在Bragg衍射的作用下會(huì)分成反向運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)物質(zhì)波波包,隨后關(guān)閉囚禁勢(shì),讓波包自由運(yùn)動(dòng)。由于原子間的自旋交換碰撞,一對(duì)mF=0磁子能級(jí)的物質(zhì)波會(huì)激發(fā)到兩個(gè)分別處在mF=±1磁子能級(jí)的物質(zhì)波,這是旋量原子氣體的四波混頻。我們利用Bogoliubov方法首先研究了自發(fā)的物質(zhì)波四波混頻(即初始mF=±l磁子能級(jí)上無原子),發(fā)現(xiàn)反向散射的不同自旋的原子之間存在很強(qiáng)的二階量子關(guān)聯(lián)。我們進(jìn)一步探索利用這些量子關(guān)聯(lián)的原子來檢驗(yàn)判斷量子非定域性的Clauser-Horne-Shimony-Holt (CHSH)不等式。我們發(fā)現(xiàn)反向散射且分別處在mF=±l磁子能級(jí)的原子的關(guān)聯(lián)強(qiáng)烈的違反CHSH不等式的現(xiàn)象,表明它們之間存在著非常強(qiáng)的糾纏。然而實(shí)驗(yàn)上由于粒子間的自旋交換碰撞,最初制備在磁阱中的BEC中,不可避免會(huì)有原子處在,mF≠0的自旋態(tài)上,這些原子將作為經(jīng)典“種子”引起參量放大現(xiàn)象。于是我們緊接著分兩種情況研究“種子”的影響。一種是所有“種子”處在同一自旋態(tài)的情況,另一種是“種子”原子平均分布在不同自旋態(tài)的情況。以前對(duì)“種子”引起的參量放大過程的研究主要關(guān)注原子數(shù)目的增加。我們研究了散射原子在動(dòng)量空間的密度分布,發(fā)現(xiàn)其具有方向性�！胺N子”原子只會(huì)引起它相應(yīng)動(dòng)量方向上散射原子密度的增加。根據(jù)這一特點(diǎn),可以有效的將散射原子儲(chǔ)存起來加以利用。我們還首先對(duì)受激過程散射原子之間的量子關(guān)聯(lián)特性進(jìn)行研究,與物質(zhì)波自發(fā)四波混頻相比,受激四波混頻在帶來某些方向上散射原子密度的增加的同時(shí),減弱了這些方向上不同自旋散射原子之間的關(guān)聯(lián)。但是當(dāng)只有一對(duì)自旋+1和自旋-1的原子作為種子時(shí),我們發(fā)現(xiàn)CHSH不等式的仍然被違背,而且提高系統(tǒng)線性色散時(shí)間和碰撞時(shí)間的比值可以補(bǔ)償散射原子密度增加對(duì)散射原子之間關(guān)聯(lián)的減弱效應(yīng),使CHSH參數(shù)重新接近量子力學(xué)允許的上限2扼。這意味著通過旋量BEC的受激四波混頻,我們可以定向的得到強(qiáng)關(guān)聯(lián)的散射原子。(2)我們對(duì)半整數(shù)高自旋鏈上自旋態(tài)的相干轉(zhuǎn)換進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)半整數(shù)高自旋鏈可以很好地作為信息處理器件。我們于是提出利用半整數(shù)高自旋鏈同時(shí)實(shí)現(xiàn)信息傳遞和存儲(chǔ)兩種功能的方案,該方案可以避免常見的混合系統(tǒng)對(duì)操控精度要求高的缺點(diǎn)。我們把自旋鏈上原子的最高能態(tài)組成高能量子空間,最低能態(tài)組成低能量子空間。在零場(chǎng)分裂非常大的情況下,這兩個(gè)子空間可以分別用對(duì)應(yīng)的有效哈密頓很好的描述,高能量子空間的格點(diǎn)間通過交換作用直接耦合,低能量子空間的格點(diǎn)間通過更高階的相互作用耦合。這兩個(gè)空間耦合強(qiáng)度的不同使得可以將高能量子空間用來進(jìn)行信息的傳遞,低能量子空間用作信息的存儲(chǔ)。退相干和長(zhǎng)程相互作用對(duì)我們系統(tǒng)中信息傳遞和存儲(chǔ)幾乎沒有影響。在現(xiàn)有的技術(shù)條件下,我們提出利用磁性分子來實(shí)現(xiàn)這一方案。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O469;O413

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本文編號(hào)：2333884