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囚禁离子的相干操纵和控制

曾浩生  
【摘要】: 在过去的几年里,无论是理论研究还是实验探索,囚禁离子量子计算和量子信息处理都取得了惊人的成就。利用囚禁离子与激光的相互作用原理,现在人们不仅能够以极高的精度相干地操纵囚禁离子的内部电子态,而且也能以相当高的精度相干地操纵囚禁离子的振动量子态,为在可控的条件下进行囚禁离子量子计算与量子信息处理、以及量子光学与量子动力学的研究提供了可靠的理论和实验基础。本论文除介绍离子的囚禁与激光冷却、及囚禁离子量子计算的基本原理外,主要报道了以下研究内容: 对囚禁在线型离子阱中的N个离子系统,提供了如何将其质心振动运动模或其它集体运动模制备到位相空间中一条直线上的、具有任意迭加系数的、等距离的、相干态的迭加态的方法;对两个囚禁离子系统,提供了如何将其质心运动模和呼吸运动模制备成单模压缩态、两模压缩态及其它们的各种迭加态,以及实现类似于量子光学中的两种振动模的‘束分离器变换’。 在Lamb-Dicke极限下,求解了两个囚禁离子同激光相互作用所表现出的Jaynes-Cummings模型的精确解,并研究了离子内部能态布居数的塌缩与复苏、及振动声子场的量子相干与压缩特性。发现当两离子的初始内态均处于基态、初始振动态处于相干态时,系统所有内态能级的布居数都呈现出明显的塌缩和复苏现象,塌缩与复苏随初始振动声子数的增加而变得更加明显。声子场的相干性随初始平均声子数的增加而迅速减少,并随时间作某种形式的振荡。在少声子数的‘弱场’情况下,动量或坐标分量存在压缩,最大的动量压缩为42.4%。在相反的初始条件下,即当两离子的内态处于相干迭加态、而振动态处于无相干性的真空态时,则只有内态|gg的布居呈现出明显的塌缩和复苏现象。此时声子场的相干和压缩


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