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(人造)原子—光场强相互作用系统的量子性质

邓文武  
【摘要】:最近,随着量子物理、凝聚态物理的发展,以及微加工、极低温、量子态测量等技术的飞速提高,量子体系与量子谐振子的作用越来越强,实验上已实现了超导磁通量子比特、量子点、超导电路QED系统,其耦合强度已经进入超强耦合区间。但这些强耦合系统的动力学仍然可以用Rabi模型来模拟。弱耦合作用下忽略Rabi模型非旋波项的JC模型已不再不适用。由于超强耦合,Rabi模型中的非旋波项对量子比特的相干性、纠缠的演化、光谱结构、拉比振荡、量子态的演化等产生了重要的影响,在实验上和理论分析中产生了一些新奇的物理现象。例如非对称的真空Rabi劈裂、光子阻塞、非经典态、超辐射跃迁等。只有考虑Rabi模型非旋波项的作用,才能真正地解释在强耦合作用下所出现的这些新奇的物理现象。因此,非旋波近似(NRWA)的Rabi模型的研究正是当前量子信息、量子光学和凝聚态物理的研究热点。 首先,我们研究了非旋波项对量子迹距离的影响。为了便于从物理上分析非旋波项对量子迹距离的影响,我们选取了两个特殊的初始态。这两个特殊的初始态是Rabi模型在旋波近似下且共振时的本征态。如果对玻色场求迹,这两个初始态对于量子比特而言是同一个态。通过对量子迹距离的分析,我们发现:在以两个特殊的初始态为条件下,量子比特的量子迹距离只与两个量子比特激发态布居差有关,而与两个量子比特的相干性无关。如果不考虑非旋波项的影响,这两个特殊初始态所对应的迹距离为零。但是,在考虑非旋波项的影响时,两个量子态的迹距离随时间振荡,并且随着耦合强度的增强,量子迹距离的振荡幅度和频率也增加。结果明显不同于旋波近似下的结果。 其次,我们讨论了在强耦合作用区间Rabi模型物理发射谱的性质。我们将旋波近似下量子比特的物理发射谱定义进行推广,使之适用于强耦合作用下非旋波近似的情况。结果发现:即使玻色场和量子比特初始态为基态|9,0,多峰结构的真空Rabi劈裂谱出现了,并且谱峰不再对称;随着耦合强度和玻色场初始强度的增强,更多的本征态被激发,谱峰变得更加复杂。通过微扰可知:这些新的特征来源于非旋波项的影响。同时,在强耦合作用区间能级交错也同时被观察到。 接着,还讨论了非旋波近似下Rabi模型的Berry相位。主要是运用两个单位幺正变换来近似获得Rabi模型的本征能和本征态。为了说明本案解析方法的可靠性,同时给出了Rabi模型Berry相位的高精度数值解。通过比较发现:本案与高精度数值解在近共振时吻合得较好。为了进一步从物理上说明非旋波项对Berry相位的影响,采用了二阶微扰方法。通过微扰方法发现:本征态的基态所对应的Berry相位依赖于耦合强度的二次方和更高次方,而第一、第二激发态的berry相位依赖于耦合强度的零次、一次方和更高次方。 最后我们运用Beaudoin等人提出的、量子光学更为普适的方法-主方程方法,对强耦合作用区间腔模的输出谱进行了讨论。在弱探测场的情况下,发现:当弱探测场与基态和第一激发态共振时能够显现一个较强的峰,并且随着耦合作用的增强,峰的高度有所增加。当弱探测场与其它本征态共振或大失谐,出现的峰都较弱。这是因为在稳态的情况下,粒子布居绝大多数分布在基态,而探测场的强度较弱,对粒子数布居影响不大。当弱探测场与基态和第一激发态共振时,少部分的布居激发到第一激发态,因此能够显现一个较强的峰。


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