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利用原子系综产生压缩及纠缠光的研究

李星  
【摘要】:量子纠缠态由于具有便捷、有效的操控性,使得其在量子信息领域发挥着不可或缺的作用。相应的研究亦取得了实验上的应用,诸如量子计算网络,逻辑门,密集编码,隐形传态等等。实现纠缠有许多方式,例如利用非简并的参数振荡,波混频作用,关联发射激光,克尔效应,原子相干等。随着纠缠研究的深入,多模纠缠也在理论上取得了发展,从三模纠缠、四模纠缠到集合模纠缠。另一方面,双模及多模压缩与双模及多模纠缠有着密切的关联。当压缩参数足够大时,我们能获得Einstein-Podolsky-Rosen (EPR)(?)(?)缠态。近来,人们通过光与原子系综的相互作用系统来获得双模压缩,也就是,在光腔中放置原子系综,让量子场与其耦合,原子系综可看作原子库。与此同时,探索此系统在连续变量量子计算网络中的实践和应用。本文中,我们主要研究多模光场与原子系综相互作用的物理机制,并由此提出新的方案来获得多模压缩态,进而得到GHZ和cluster纠缠态。论文里创新工作有以下几点: 1.我们描述了受经典场驱动的原子系综与一对腔场的近共振相互作用,在一定条件下形成参数转换。我们发现,此时计算出的双线性哈密顿量,不再依赖于原子翻转算符,而是与修饰态之间的布居差成正比。如果参数的选择合适,与色散情况相比,近共振条件下所获得的参数相互作用将被加强到至少两个量级。尽管在腔场中存在自发辐射,但在腔场形成的一对集合模的起伏中仍会出现相消干涉。当腔衰减率远远大于色散情况下的腔衰减率时,参数转换和相消干涉两个因素将使得输出场产生理想的压缩和EPR纠缠态。这个物理机制能被用于多能级原子系统,并且在基于腔量子电动力学获得光压缩及纠缠态的实验中具有优势。 2.以前的研究表明,通过二能级原子系综的近共振相互作用,能产生双模纠缠光。其物理机制在于,介质与经典场作用后使得两个新的光子进入腔场。现在我们将这个机制推广到三个独立的原子系综体系,通过四个非简并光场在三个原子系综之间建立级联型相互作用。计算分析的结果表明,本方案能产生连续变量的四模cluster态和GHZ态纠缠光。这个方案对于产生多体纠缠的优势在于,近共振条件下获得的耦合强度要远远大于通过远离共振条件下的参数转换从而获得的耦合强度。 3.我们描述了利用多模腔场和原子库相互作用下相应拉曼通道中存在的效应,得到量子关联。分析显示,在多模场和原子系综的拉曼相互作用中,同时存在量子拍和四波混频过程。这两种物理机制相结合,能够使辐射光子成对地进入包含原子库的多模腔场。以四模场为例,我们提出一个方案,此方案在稳态时能产生四模压缩态,进而获得GHZ纠缠态,以及线形和方形的cluster纠缠态。这个系统不需要对原子态及腔模进行初始的制备,同时,此系统能有效克服原子自发衰减。


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