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耗散系统中量子导引的非对称调控研究

钟文学  
【摘要】:量子信息学作为一门新兴研究学科,显示出十分广阔的科学和技术应用前景。作为量子信息的关键资源,量子关联效应得到了研究学者的广泛关注和深入研究,这不仅因为它们反映了量子力学的基本问题,而且在量子计算和量子信息处理中有着重要的应用。对于复合量子系统,量子关联具有不同的形式,包括纠缠、贝尔不等式及介于两者之间的量子导引。对于处于位置和动量的理想关联量子态的一对粒子,在一定时刻后它们在空间上完全分离,研究发现对其中一个粒子(粒子A)的测量会立刻影响处于遥远的另一个粒子(粒子B)的状态,爱因斯坦将其称之为“幽灵般的超距作用”,薛定谔则用“量子导引”的概念来描述这种作用。量子导引的最显著特点就是它的方向性。对于处于纠缠状态的两体系统Alice和Bob,对Bob系统的测量能够远距离地影响Alice的状态,使之处于一个特定状态。它是一类新的量子非局域特性。正是因为它的方向性,量子导引在量子信息处理过程中得到了重要的应用。另一方面,实际的物理系统不可避免地与环境发生能量交换或信息交流,即关注的系统与量子库(环境)发生了耗散作用,库的存在导致了退相干,从而减弱两个或多个子系统的量子关联效应。如何在耗散系统中获得稳定的高度关联的信息源成为了科研学者们致力追求的热点问题。幸运的是,耗散可以对非局域量子关联的建立起到积极效应。特别地,利用光与物质相互作用建立量子化的Bogoliubov变换模式,进而利用量子库理论使得Bogoliubov变换模演化成为稳定的光子数接近于零的状态,由此导致了原始的量子化模式彼此关联。本文对噪声环境下量子系统的非对称量子导引的产生提出了几种可行的方案,其创新工作主要有以下几个方面:首先,我们利用原子相干诱导的单通道量子耗散过程获得了两场模间稳态的单向EPR导引。这个方案考虑的是双级联型四能级原子系统,基于全共振相互作用,所有的光场与不同的原子跃迁共振,且由于原子相干诱导的混频过程产生的光场呈现了EPR导引关联特性。根据缀饰态表象和Bogoliubov模方法,在变换模和缀饰原子之间发生了非对称的耦合作用,即两个Bogoliubov模每次仅有一个与缀饰原子相互作用,这样的一种非对称相互作用导致了非对称的耗散通道,其中一个变换模的光子被缀饰原子吸收,而另一个变换模不受缀饰原子的影响。正是这样的作用机制导致了单向EPR导引的产生,通过改变外加驱动场的强度,可以获得光子数较多的Bogoliubov模导引光子数较少的Bogoliubov模。当前方案的优势有以下几点,首先本方案产生的量子导引关联是基于全共振作用系统,共振相互作用不仅存在于电磁场和裸原子,还存在于Bogoliubov模和缀饰原子之间,而且非对称的量子导引关联的产生只需要改变一个外加驱动场的强度就可以实现;其次,非对称关联的场模可以有较大的频率差,原因在于腔模的产生强烈的依赖于原子不同能级的跃迁频率,选择合适的原子能级耦合,可以产生光场和微波场之间的量子导引关联;最后也是最重要的一点,本方案是基于原子库的耗散作用实现单向的EPR导引,免疫于随机过程中的起伏,且不依赖场和原子的初态。其次,我们探讨了关联辐射激光系统中热噪声对关联辐射光源单向EPR导引的影响。该方案考虑一个三能级级联系统与双模腔场相互作用,原子初始制备在高激发态和基态的叠加态上,腔场被热库阻尼。研究表明热噪声不仅对稳态的单向EPR导引的产生起到了积极的作用,而且扩大了单向EPR导引所存在的区域。研究讨论了平衡腔损耗和非平衡腔损耗两种情况。无热光子时,系统呈现了双向EPR导引,这主要源于注入的原子相干。当热噪声涉及时,单向导引成为主体,且参数选择范围非常宽松。物理上,热噪声极大地增加了两个关联辐射模式的平均光子数,也导致了两腔模间强度差的增大。显然这将引导两腔模的平均光子数的非对称性,进而诱导了上面两能级跃迁的光场对下面两能级跃迁光场的单向导引。最后,我们利用热噪声调控低品质腔输出场的单向EPR导引。本方案考虑的是两个低品质腔与一单个四能级原子发生色散作用,同时,两个腔分别耦合于一个热库。在低品质因子和弱拉曼跃迁条件下,两个输出模式展现了强烈的关联性。当两腔场耦合真空库时,对称的双向导引关联发生于两个输出模式之间。当热库出现且热光子数不对称时,非对称的EPR导引关联出现,且导引方向可通过改变热库中的平均光子数与腔场的衰减参数调控。研究表明热噪声和腔损耗对两输出场间形成的非对称性导引关联起到了积极的作用。目前方案有以下几个显著特征:首先,单向EPR导引的产生源于腔场与热库的耗散作用,在噪声环境中对量子态操控,对量子信息处理更有优势。其次,单向导引发生于两个低品质腔之间,放宽了对好腔和强耦合的要求。且考虑的是输出模式的非对称关联,更加便于测量。


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