單量子體系的相干性及光子統(tǒng)計研究.pdf

1、光與物質(zhì)的相互作用是現(xiàn)代原子分子光物理和量子控制等的重要研究內(nèi)容。以激光、激光制冷、原子力探針掃描儀等為標志的實驗技術，以及以玻色-愛因斯坦凝聚、電磁誘導透明等為代表的光-物質(zhì)相干現(xiàn)象使量子力學的研究深入到了納米尺度和單量子體系，這不僅突破了系綜平均的局限，同時在理論上激發(fā)了對量子開放體系的研究。目前，諸多理論方法被發(fā)展出來，包括量子主方程(master equation)、量子跳躍(quantum jump)、量子軌線(quantum

2、 trajcctory)、相容歷史(consistcnt history)、量子測量理論(如Kraus representation)等。量子相干性被認為是量子體系的關鍵性質(zhì)，不同的相干性導致了很多新奇的量子效應，比如電子雙縫干涉、糾纏光子、量子霍爾效應等。自發(fā)輻射誘導相干性是一種由自發(fā)輻射系數(shù)所導致的相干性，在原子相干性研究中占有重要的地位。在光-物質(zhì)體系中，光場和物質(zhì)都具有相干性，且二者具有統(tǒng)一的基礎。為了同時描述物質(zhì)（原子、分子、

3、量子點等）和光場的相干性，通過引入密度矩陣所對應的特征函數(shù)，光子的量子統(tǒng)計效應以及各高階統(tǒng)計量等就可以被描述。
　　 在本論文中，我們采用產(chǎn)生函數(shù)方法研究光與物質(zhì)的相互作用體系的相干性和光子統(tǒng)計性質(zhì)。我們討論了被廣泛研究的包括砷化鎵量子點(GaAs)和銣原子(Rb)在內(nèi)的單量子體系的相干性，并討論了相關實驗驗證。
　　 在第一章，我們介紹了單量子體系相干性的研究背景和發(fā)展歷史，在單量子尺度上的精確控制已成為現(xiàn)代量子理論和

4、量子技術的核心。我們討論了一些常見的重要的原子相干現(xiàn)象，包括量子拍、相干粒子數(shù)囚禁等；在理論上，我們簡要介紹了幾種可以用來描述光子相干性和統(tǒng)計的方法。
　　 在第二章，我們介紹了量子開放體系的理論基礎。我們首先討論了密度矩陣和相關的特征函數(shù)以及分布函數(shù)等的性質(zhì)。然后，我們討論了體系演化的Liouville方程、Lindblad方程、Kraus表象理論以及光-物質(zhì)相互作用體系的產(chǎn)生函數(shù)方程，并介紹了高階統(tǒng)計量。
　　 在第

5、三章，我們集中研究了自發(fā)輻射誘導相干(SGC)。首先，我們介紹了SGC的物理基礎和相關研究背景，比如暗共振、自發(fā)輻射消減以及自發(fā)輻射相干的模擬方法等。然后，我們詳細討論了單量子多能級體系中的量子拍現(xiàn)象，以及V型三能級體系在脈沖激發(fā)下和超精細三能級體系在連續(xù)場驅(qū)動下的性質(zhì)。
　　 在第四章，我們研究了四能級體系中的電磁誘導透明現(xiàn)象(EIT)和SGC效應。我們介紹了EIT的相關效應，包括光速減緩、光放大、多透明窗等，以及EIT的理論

6、基礎，包括暗極化子和去退相干子空間(DFS)理論。然后，我們在失諧空間中分析了雙Λ型四能級體系的EIT結(jié)構(gòu)和Mandel's Q參量所反映的光子統(tǒng)計性質(zhì)。研究表明，SGC效應可以導致一種真空協(xié)助透明現(xiàn)象[Vacuum-assistcd Transparency(VAT)]，我們詳細分析了其動力學機制。
　　 在第五章，我們研究了Ⅳ型四能級體系中的巨克爾效應[Giant Kerr Effects(GKE)]和SGC效應。同樣，我們

7、首先介紹了GKE的理論基礎和相關應用，諸如量子邏輯門、光學開關等。然后，我們討論了外加控制場和開關場對非線性克爾吸收和AT(Autlcr-Townes)分裂的控制。我們發(fā)現(xiàn)，SGC效應可以導致非線性克爾吸收的消失，這說明體系中暗態(tài)可以被SGC所恢復。另外，我們還討論了光學開關過程中對應的光子反聚束效應。
　　 在第六章，我們給出簡要的總結(jié)和展望。在展望中，我們主要討論了SGC效應在最近的一些發(fā)展、糾纏光子對的統(tǒng)計性質(zhì)、不同能級結(jié)