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非经典光场与原子相互作用的理论研究

张静  
【摘要】: 光与原子的相互作用,一直是量子光学和原子物理研究领域的重要课题之一。随着实验上各种非经典光场的出现,研究原子与非经典光场的作用引起了人们的注意。其中的压缩光场,在实验上已经被广泛研究并且在量子信息处理过程,特别是量子纠缠的产生和连续变量量子信息过程中具有特殊意义,因此它与原子的作用更是备受关注。研究非经典光场与原子的作用,一方面希望探索这种有别于普通相干光的光场与原子作用中所表现的量子行为,揭示原子处在更为特殊的环境(非经典场)中将呈现的各种奇异性质,这对我们理解光与原子相互作用这一基本过程具有重要意义;另一方面,由于大多数非经典态是非常弱的光场,它们与单个原子的作用过程可以获得清晰的物理图像,研究在单光子和单原子水平原子与光子的作用过程对于今天人们广泛关注的量子纠缠、量子退相干过程、单光子源的产生,量子信息处理等具有重要的价值。研究这一课题的另外一个动机是:目前国际上若干研究组以及本人所在的课题组已经可以在单原子水平上对原子进行良好的操控和测量,量子光学与光量子器件国家重点实验室在各种非经典光场的产生、测量和应用方面具有很强的实验基础,从而使我们的研究主要从实验出发,围绕实验开展工作,也使理论研究的某些结果可望直接应用到实验方面。 要使原子与光场发生很好的作用,腔QED实验无疑是最好的手段。光频段腔量子电动力学(Cavity QED)对认识原子与光的作用至关重要。作为目前为数不多的能够在实验室环境下观察单粒子量子行为的系统,腔QED系统不仅可以作为探索量子物理世界若干非经典行为的重要工具,例如薛定谔猫态、量子测量等等,而且在量子计算、量子态的制备以及量子通信等领域也具有重要价值。而对单原子或少数原子的有效操控是实现上述过程的基础。随着技术的进步,现在人们不仅可以将冷原子冷却到绝对零度附近,而且可以通过光学偶极阱实现对少数原子的操控。20世纪90年代,随着量子光学和冷原子技术的发展,高品质微腔和原子冷却与俘获技术的结合使得单原子与光场相互作用的Jaynes-Cummings模型已经可以得到很好的实验检验。 目前我们实验小组已经建立了用于腔QED实验的磁光阱系统,高品质微光学腔系统,实现了原子的光学偶极俘获,获得了单个原子的长时间控制,并在单原子和单光子探测方面取得了重要进展;在非经典光场的产生方面也获得了原子线附近的亚泊松光场并正在开展铯原子线压缩真空态和EPR态的研究。这些实验基础为进一步开展微腔中单个原子与光场,尤其是与非经典光场相互作用的研究奠定了基础,这也是本理论研究的重要出发点:我们希望通过非经典光场与原子相互作用的研究,探索该过程中新的量子现象,对该过程的基本物理过程有深入的理解,同时,以实验中的真实参数为理论计算的依据,以期对实验上可能得到的结果或者已经得到的结果做出预判或者解释。 结合相关的实验内容,我们从原子和光场相互作用的哈密顿量(一般还需要考虑热库)出发,利用基本的量子光学处理方法(如薛定谔方程、主方程、Fokker-Planck方程、Langevin方程等),考虑相关的初始条件,理论推导和数值计算相结合(主要采用mathematica、Matlab、qo-toolbox等),得到了一些有意义的结果。本文完成的主要工作包含以下内容: 1.讨论了在现有的实验条件下,如腔的参数等已知的情况下,要实现能够俘获单个铯原子的光学偶极阱,即深度达到1mK以上,所需的其他参数的最优选择,比如偶极俘获光的波长、功率及腰斑等。 2.提出了利用介质表面的多束倏逝驻波形成的二维光学晶格获得亚半波长偶极阱的一种方案,并对其中偶极阱的特点进行了分析,包括深度和尺度等方面。结果表明,通过选择合适的波长可以获得尺度小于半波长的光学微阱,再配合瓦级功率的FORT光,阱深可达mK量级。为在微尺度上更好地控制原子提供了一种可能的方案。 3.利用原子和光场强耦合的缀饰理论,可以很好的解释一些实验结果。我们在考虑多能级的情况下,仔细计算了原子的精细能级和超精细能级对光频移(阱深)的影响,得到了铯原子D_2线两个能级的magic wavelength,为分析实验中确实存在的复杂能级的影响提供了可靠的方法。 4.研究了原子与各种光场(包括经典光场和非经典光场)相互作用时原子和光场各自特性的变化,包括原子的布居数、能级、吸收谱和荧光谱,以及光场的起伏、光子数统计性质等等。其中,重点研究了压缩真空环境下原子-光场纠缠的演化以及该过程对光场本身的非经典特性的影响,并与相干态进行了比较,结果表明,在相同条件下,压缩真空中原子-光场之间的纠缠要远强于相干光场的情形。 5.研究了将原子放入简并光学参量振荡器(DOPO腔)中时内腔场(输出场)的光子统计性质,以及光学双稳和阈值改变对它的影响,结果表明,当腔内原子很多时,有很强的亚泊松统计性质和很弱的反聚束效应,可用于大数目的数态的制备;而当腔内只有单个原子时,显示出的亚泊松统计和反聚束效应均较强,适合单光子源的制备。 6.研究了腔QED系统中腔长和泵浦光强度对腔的输出场以及原子特性的影响,比如输出场的光子统计性质、原子的布居数等。进一步研究了铯原子腔QED系统产生单光子源的可能方案。


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