微腔中多體系統(tǒng)的新奇量子相變及其調(diào)控.pdf

1、研究多體系統(tǒng)的量子相變及其調(diào)控一直是凝聚態(tài)物理學(xué)的熱門(mén)內(nèi)容之一。在早期的理論研究中，光學(xué)腔中的多原子系統(tǒng)具有正常—超輻射量子相變。但是到目前為止，該量子相變還沒(méi)有被觀察到。其主要原因是，由于每個(gè)原子都各自存在量子漲落，所有的原子不能與光子發(fā)生相同的相互作用。最近的實(shí)驗(yàn)利用了玻色—愛(ài)因斯坦凝聚的奇特特性---低于某一特定溫度時(shí)，所有粒子都聚集到動(dòng)量空間中的最低能態(tài)上，并具有相同的物理特性，驗(yàn)證了超冷原子與光子能發(fā)生集體強(qiáng)耦合作用。這是最高

2、層次上研究物質(zhì)與光的相互作用。在該系統(tǒng)中光子不僅與原子發(fā)生近共振相互作用，而且還能充當(dāng)數(shù)據(jù)線(xiàn)，并有效地耦合長(zhǎng)程原子之間的相互作用。這兩個(gè)相互作用發(fā)生強(qiáng)烈競(jìng)爭(zhēng)，將會(huì)導(dǎo)致新奇量子效應(yīng)。
　　本文在當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)條件下著重研究腔中多原子體系的新奇量子相變及其調(diào)控，主要內(nèi)容如下:
　　(1)給出多原子與光子相互作用體系幾何相位的一般公式（正比于平均光子數(shù)）。而且證明該幾何相位與量子相變有著重要的關(guān)系。因此，它是一個(gè)在實(shí)驗(yàn)上可以探測(cè)量子相

3、變的重要物理量。
　　(2)運(yùn)用路徑積分方法討論有限原予數(shù)下Dicke模型在超輻射相時(shí)的量子隧穿。指出量子混沌將協(xié)助隧穿并與純量子隧穿會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的競(jìng)爭(zhēng)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的量子隧穿減弱。
　　(3)提出控制超輻射量子相變的一種方案，即運(yùn)用一個(gè)含時(shí)經(jīng)典驅(qū)動(dòng)外場(chǎng)的頻率來(lái)代替原子的共振頻率，從而取得滿(mǎn)足發(fā)生超輻射量子相變的條件。最后，該方案在宏觀超導(dǎo)量子電路中與腔相互作用的體系中實(shí)現(xiàn)。
　　(4)引入含有長(zhǎng)程原子相互作用的Dick

4、e模型，運(yùn)用相干態(tài)路徑積分方法得出當(dāng)原子數(shù)為有限奇數(shù)時(shí)，該模型有絕對(duì)簡(jiǎn)并的基態(tài)和很大的能級(jí)間距，而且這個(gè)間距隨著原子數(shù)的增加而增大。因此，在絕對(duì)簡(jiǎn)并的基態(tài)子空間中適當(dāng)控制相關(guān)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子計(jì)算，克服量子退相干。
　　(5)在超導(dǎo)結(jié)與納米力學(xué)共振器的相互作用系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)Dicke模型，而且在周期調(diào)控下實(shí)現(xiàn)單向量子計(jì)算機(jī)所需的cluster態(tài)。
　　(6)在自旋相干態(tài)表象下計(jì)算非線(xiàn)性大自旋量子體系Lipkin-Meshko

5、v-Glick模型的能級(jí)間隙，揭示了一種新的量子相變存在，而且該相變由幾何相位引起，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)非線(xiàn)性大自旋系統(tǒng)的量子邏輯門(mén)提供了一種新的方法。
　　(7)在大失諧條件下研究玻色—愛(ài)因斯坦凝聚體與腔的集體相互作用，并預(yù)言一種新的二級(jí)超輻射—Mott量子相變和一級(jí)超流量子相變。消除光子變量得到雙軸各向異性的Lipkin-Meshkov-Glick模型，并得到拓?fù)淞孔酉喔涩F(xiàn)象。運(yùn)用自旋相干態(tài)路徑積分方法發(fā)現(xiàn)該模型存在有趣的拓?fù)淞孔酉嘧儭?/p>