基于腔量子電動(dòng)力學(xué)的光機(jī)械系統(tǒng)與自旋壓縮研究.pdf

1、信息科學(xué)是研究信息運(yùn)動(dòng)規(guī)律和應(yīng)用方法的科學(xué)，近30年來，信息科學(xué)與量子力學(xué)相結(jié)合而興起的量子信息科學(xué)受到了廣泛的關(guān)注。量子信息科學(xué)由于一些新奇特性，比如量子態(tài)的不可克隆性、線性疊加性、糾纏特性等，使其在量子計(jì)算、量子信息、量子度量等方面顯示出十分廣闊技術(shù)應(yīng)用前景。量子計(jì)算機(jī)的并行處理能力使其計(jì)算速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于經(jīng)典計(jì)算機(jī)，在密碼破解、量子搜索等方面展示出了巨大的潛力。量子信息利用量子態(tài)不可被克隆性、糾纏特性等特點(diǎn)已經(jīng)在量子密碼、量子通信等實(shí)

2、用化領(lǐng)域取得了重大的進(jìn)展。測量高精度物理量的需求推動(dòng)了量子度量學(xué)的發(fā)展，在量子時(shí)鐘和引力探測等領(lǐng)域的研究也越來越熱，在有些領(lǐng)域已經(jīng)突破了經(jīng)典物理的極限，正在向著海森堡極限逼近。
　　量子信息科學(xué)的優(yōu)勢吸引著人們尋求各色各樣的信息載體來實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)在物理實(shí)現(xiàn)上需要考慮各種折衷因素，在離子阱、超導(dǎo)電子電路、線性光學(xué)、腔量子電動(dòng)力學(xué)裝置和分子核磁共振等系統(tǒng)中已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。但是實(shí)際量子物理體系中會(huì)有各種各樣的耗散，而

3、且量子比特?cái)?shù)目越多耗散會(huì)越嚴(yán)重。幸運(yùn)的是有些體系在某些方面的優(yōu)勢非常明顯，因此混合物理系統(tǒng)也受到了越來越多的關(guān)注。腔光機(jī)械系統(tǒng)在量子信息存儲(chǔ)、量子混沌、波長轉(zhuǎn)換等方面有很大的潛在應(yīng)用前景，特別是其與原子或者量子點(diǎn)等耦合形成的混合物理體系，更是近年來研究的一個(gè)熱點(diǎn)。腔量子電動(dòng)力學(xué)(C-QED)是研究原子和光學(xué)模式之間相互耦合的一個(gè)重要領(lǐng)域。在高品質(zhì)因子的光學(xué)腔中，光子與原子可以進(jìn)行多次相互作用，實(shí)現(xiàn)原子與光場很強(qiáng)耦合，從而制備自旋壓縮態(tài)(

4、SSS)用于量子度量。
　　在本篇論文中，我們首先簡要介紹量子信息科學(xué)的一些基本知識(shí)，討論了腔光機(jī)械系統(tǒng)和腔量子電動(dòng)力學(xué)裝置。對(duì)于腔光機(jī)械系統(tǒng)，我們研究了該系統(tǒng)一些基本性質(zhì)和應(yīng)用，還分析了其與量子點(diǎn)耦合形成的混合物理體系、單光子和雙光子的輸入輸出、聲子激光。對(duì)于腔量子電動(dòng)力學(xué)裝置，我們就制備自旋壓縮態(tài)方面做了詳細(xì)的討論，主要包括以下幾點(diǎn):在腔壓縮體系中通過失諧來加強(qiáng)自旋壓縮;在氮-空穴(NV)色心體系中基于幾何相位通過聲子誘導(dǎo)自旋

5、壓縮;通過連續(xù)驅(qū)動(dòng)NV自旋鏈產(chǎn)生壓縮穩(wěn)態(tài)。具體內(nèi)容為如下四個(gè)方面:
　　1.腔光機(jī)械系統(tǒng)研究
　　腔光機(jī)械系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)量子通信和量子計(jì)算一個(gè)非常重要的系統(tǒng)，里面有豐富的物理現(xiàn)象和很多潛在的應(yīng)用。我們?cè)诠鈾C(jī)械誘導(dǎo)透明、布里淵散射誘導(dǎo)透明以及非互易光存儲(chǔ)等方面做了一些簡單的討論。在光機(jī)械與量子點(diǎn)耦合形成的混合物理體系中，我們發(fā)現(xiàn)了真空腔誘導(dǎo)透明現(xiàn)象，從強(qiáng)弱耦合兩個(gè)角度做了詳細(xì)的分析。此外，我們還將經(jīng)典控制光與真空腔誘導(dǎo)下的透明現(xiàn)象

6、做了對(duì)比。最后，為了能更好地理解誘導(dǎo)透明現(xiàn)象，我們?cè)谝话闳芗?jí)原子體系中，通過非相干控制實(shí)現(xiàn)了電磁誘導(dǎo)透明(EIT)與Autler-Towns劈裂(ATS)的相互轉(zhuǎn)換，并對(duì)兩者做了區(qū)分。在光機(jī)械的輸入輸出研究中，我們得到了在平方耦合的情況下單光子的輸出譜，其展現(xiàn)出聲子偶數(shù)激發(fā)的特點(diǎn)。以此為基礎(chǔ)，我們進(jìn)一步研究了在實(shí)空間下雙光子的輸入輸出情況。對(duì)于聲子激光，我們提出了幾個(gè)可行的實(shí)現(xiàn)方案。
　　2.失諧加強(qiáng)腔自旋壓縮
　　我們理

7、論上詳細(xì)討論了實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的腔自旋壓縮方案中各個(gè)參數(shù)對(duì)自旋壓縮的影響，與近共振的方案相比，我們發(fā)現(xiàn)失諧可以將腔壓縮度從原來的S-2/5大幅度提高到S-2/3，其中S是總自旋數(shù)。此外，我們還發(fā)現(xiàn)原子和腔之間弱的相互作用和大失諧可以加強(qiáng)原子系綜的自旋壓縮。解析結(jié)果表明，自旋壓縮來源于由激光驅(qū)動(dòng)誘導(dǎo)的與自旋態(tài)相關(guān)的幾何相位，因此在這里大失諧非常重要。對(duì)于實(shí)際的物理系統(tǒng)來說，一些噪聲是不可避免的。我們分析了由于原子拉曼散射對(duì)自旋壓縮所產(chǎn)生的影

8、響，結(jié)果表明通過合適的失諧可以優(yōu)化自旋壓縮。大失諧激光驅(qū)動(dòng)使進(jìn)入到光學(xué)腔中的有效光場減少，因此需要更長的時(shí)間才能達(dá)到最優(yōu)的壓縮。在這種情況下，單自旋退相干不得不考慮，我們發(fā)現(xiàn)更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)光可以有效的減弱這種噪聲對(duì)自旋壓縮的破壞。大失諧激光驅(qū)動(dòng)也有可能激發(fā)光學(xué)腔的其他光學(xué)模式，我們對(duì)多模式光場與原子系綜的耦合也做了詳細(xì)的討論，發(fā)現(xiàn)其它光場模式對(duì)自旋壓縮的影響完全可以忽略。最后，我們將實(shí)驗(yàn)上可實(shí)現(xiàn)的參數(shù)代入方案中，其結(jié)果說明通過失諧的調(diào)節(jié)來加

9、強(qiáng)自旋壓縮在目前的實(shí)驗(yàn)條件下很容易實(shí)現(xiàn)。作為產(chǎn)生自旋壓縮的一個(gè)補(bǔ)充，基于此方案我們對(duì)通過測量來實(shí)現(xiàn)非經(jīng)典態(tài)也做了一些討論。
　　3.氮-空穴(NV)色心體系中基于幾何相位的聲子誘導(dǎo)自旋壓縮
　　我們提出了一個(gè)通過單機(jī)械模式誘導(dǎo)幾何相位的方案來實(shí)現(xiàn)自旋壓縮，在這里NV鏈散射耦合到單機(jī)械振子上。幾何相位由于其自身的屬性，對(duì)聲子的初態(tài)非常不敏感，這是實(shí)驗(yàn)上一個(gè)非常重要的優(yōu)勢。我們研究了在不同的熱噪聲和機(jī)械品質(zhì)因子(Q)下的自旋壓縮

10、性質(zhì)，結(jié)果表明完美單軸壓縮可以在熱噪聲和機(jī)械品質(zhì)因子合適的比值下實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際的物理體系中，NV鏈會(huì)與一些熱庫耦合，這種耦合引起了退相干，因此對(duì)自旋壓縮產(chǎn)生了破壞。我們通過動(dòng)力學(xué)退耦合脈沖序列來抑制這種熱庫對(duì)自旋壓縮的影響，在高品質(zhì)因子的金剛石氮-空穴自旋鏈中，我們可以實(shí)現(xiàn)完美的單軸自旋壓縮。最后，我們還提出了一些實(shí)驗(yàn)上可行性的方案，還對(duì)一些實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的參數(shù)做了一些分析，結(jié)果表明我們提出的方案在目前的實(shí)驗(yàn)條件下是可行的。
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11、.通過連續(xù)驅(qū)動(dòng)氮-空穴(NV)自旋鏈產(chǎn)生壓縮穩(wěn)態(tài)
　　在NV自旋鏈全同地耦合到同一個(gè)光學(xué)模式的系統(tǒng)中，我們提出了通過連續(xù)光驅(qū)動(dòng)NV自旋來產(chǎn)生自旋壓縮穩(wěn)態(tài)的方案。在滿足一定頻率匹配的條件下，我們通過旋波近似得到了系統(tǒng)的有效哈密頓量。該有效哈密頓量表明集體NV自旋暗態(tài)的存在，通過對(duì)這種暗態(tài)的研究，我們發(fā)現(xiàn)該暗態(tài)就是自旋壓縮態(tài)。這種自旋壓縮態(tài)可以通過光場的耗散方式來制備，因此耗散在這里成為了相干的來源。我們研究了在驅(qū)動(dòng)光不同頻率和強(qiáng)度下