二能級(jí)原子與光場(chǎng)超強(qiáng)耦合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、近年來,實(shí)驗(yàn)上已實(shí)現(xiàn)了光與物質(zhì)之間的超強(qiáng)耦合作用,即光與物質(zhì)相互作用強(qiáng)度與光子頻率或原子共振頻率處在同一數(shù)量級(jí)。這些突破性的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展為人們探索系統(tǒng)的新奇量子效應(yīng)以及實(shí)現(xiàn)高保真度的量子信息系統(tǒng)提供了新的平臺(tái)。本文主要在當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上研究二能級(jí)原子(包括原子系綜)與光子相互作用的動(dòng)力學(xué)問題,著重探索光場(chǎng)和原子的壓縮問題,所得結(jié)果將在量子計(jì)量學(xué)中有著重要應(yīng)用。本文的主要結(jié)果如下:
　　(1)超導(dǎo)比特(即人造二能級(jí)原子)和LC振蕩回路(

2、即人造微波光子)耦合系統(tǒng)在耦合強(qiáng)度達(dá)到0.1倍原子頻率時(shí),實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)耦合。該系統(tǒng)的哈密頓量需要用含有反旋波項(xiàng)的Rabi模型描述。雖然該模型提出已經(jīng)70多年了,但是其解析解一直沒被解決。我們提出了一種新的微擾理論,獲得了當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下(耦合強(qiáng)度小于0.5倍原子頻率)Rabi模型的基態(tài)和所有激發(fā)態(tài)問題。所得結(jié)果很好地解釋了實(shí)驗(yàn)中觀察到的Bloch-Siegert頻移。另外,獲得了可測(cè)物理量如平均光子數(shù)等的解析表達(dá)式,并糾正了長(zhǎng)期的不準(zhǔn)確結(jié)果。

3、
　　(2)數(shù)值結(jié)果表明,光場(chǎng)壓縮與原子-光子的耦合強(qiáng)度并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系,而是在整個(gè)耦合區(qū)間中的某耦合強(qiáng)度下達(dá)到其最大值。我們同時(shí)揭示了Rabi模型的反旋波項(xiàng)增強(qiáng)光場(chǎng)壓縮的物理機(jī)制,該結(jié)果有益于幫助實(shí)驗(yàn)制備所需的最大壓縮態(tài)。
　　(3)研究了Rabi模型受到靜場(chǎng)光子驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)問題,利用解析方法并借助數(shù)值分析了依賴驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度的共振效應(yīng)。利用共振效應(yīng),既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度的測(cè)量,又可以精密測(cè)量原子和光子的耦合強(qiáng)度,該結(jié)果將為更

4、精密的測(cè)量提供理論參考。
　　(4)瑞士ETH大學(xué)T.Esslinger教授小組成功觀察到了40年前預(yù)言的Dicke模型超輻射相(Nature,464:1301,2010),他們的方案具有一個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì):集體原子-光子耦合強(qiáng)度正比于驅(qū)動(dòng)外場(chǎng)的Rabi頻率。因此,在實(shí)驗(yàn)上具有高度的可控性,而且非常容易達(dá)到超輻射量子相變的所需條件。我們發(fā)現(xiàn)通過在該方案基礎(chǔ)上引入含時(shí)的集體原子-光子耦合(可通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)振幅和頻率改變其耦合強(qiáng)度),可以

5、大大提高原子系統(tǒng)的自旋壓縮。隨著驅(qū)動(dòng)場(chǎng)振幅的增加,自旋壓縮系數(shù)會(huì)快速增長(zhǎng)。利用高頻近似,發(fā)現(xiàn)該自旋壓縮來源于含時(shí)集體原子-光子相互作用誘導(dǎo)的強(qiáng)自旋排斥相互作用。在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下,解析地獲得了該系統(tǒng)所能達(dá)到的最大自旋壓縮系數(shù)(40dB)。該結(jié)果遠(yuǎn)超出以前的理論和實(shí)驗(yàn)方案。
　　(5)在最近NIST的超冷原子實(shí)驗(yàn)中,通過控制一對(duì)Raman激光實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)Rashba-Dresselhaus自旋-軌道耦合。物理上,該系統(tǒng)可以用超強(qiáng)耦合下的D