与双模场依赖强度耦合下多光子通道中原子比 特周期量子回声产生和调控

旋波近似条件下,运用全量子理论研究了与双模相干光场依赖强度耦合多光子通道中原子比特周期量子回声的产生和控制. 采用数值计算的方法,讨论了双模相干光场平均光子数分布形式、分布范围及原子跃迁时吸收(或发射)的光子数k对原子比特态保真度演化的影响,获得了产生和控制原子比特周期量子回声的系统参量;根据纠缠理论,分析了原子比特态保真度演化与原子约化熵演化的关联. 结果表明:在k=1的双光子过程中,调控光场平均光子数呈对称或不对称分布,当它的取值在一定范围内,原子比特保持良好的相干性和保真度,产生周期量子回声; 对于k≥2的多光子过程,原子比特与双模相干光场始终处于最大纠缠,因此导致了原子比特始终处于部分失真状态,不产生周期量子回声. 本研究揭示了周期量子回声产生的物理实质是原子比特与光场周期性退纠缠.     

非旋波近似下Λ型三能级原子与相干态光场的量子纠缠

在非旋波近似下,利用相干态正交化展开方法,对相干态光场与Λ型三能级原子相互作用的量子场熵进行了精确求解.利用量子熵理论讨论了耦合强度、平均光子数以及初始时刻原子处于不同的能级对量子纠缠的影响.数值计算的结果表明：当初始时刻原子处于激发态时,量子纠缠在较短的时间内就能演化到最大值,随着平均光子数的增大,纠缠演化的周期性逐渐明显|原子初始时刻处于三个能级的叠加态会使初始阶段量子纠缠显著降低|与旋波近似下的结果不同的是,随着耦合强度以及平均光子数的增加,非旋波项的贡献显著增强,使得量子纠缠演化曲线出现小锯齿状的振荡.     

Entropy of field interacting with two two-qubit atoms

We use quantum field entropy to measure the degree of entanglement for a coherent state light field interacting with two atoms that are initially in an arbitrary two-qubit state. The influence of different mean photon number of the coherent field on the entropy of the field is discussed in detail when the two atoms are initially in one superposition state of the Bell states. The results show that the mean photon number of the light field can regulate the quantum entanglement between the atoms and light field.     

Evolution of the field quantum entropy and entanglement in a system of multimode light field interacting resonantly with a two-level atom through Nj-degenerate NΣ-photon process

The time evolution of the field quantum entropy and entanglement in a system of multi-mode coherent light field resonantly interacting with a two-level atom by degenerating the multi-photon process is studied by utilizing the Von Neumann reduced entropy theory, and the analytical expressions of the quantum entropy of the multimode field and the numerical calculation results for three-mode field interacting with the atom are obtained. Our attention focuses on the discussion of the influences of the initial average photon number, the atomic distribution angle and the phase angle of the atom dipole on the evolution of the quantum field entropy and entanglement. The results obtained from the numerical calculation indicate that: the stronger the quantum field is, the weaker the entanglement between the quantum field and the atom will be, and when the field is strong enough, the two subsystems may be in a disentangled state all the time; the quantum field entropy is strongly dependent on the atomic distribution angle, namely, the quantum field and the two-level atom are always in the entangled state, and are nearly stable at maximum entanglement after a short time of vibration; the larger the atomic distribution angle is, the shorter the time for the field quantum entropy to evolve its maximum value is; the phase angles of the atom dipole almost have no influences on the entanglement between the quantum field and the two-level atom. Entangled states or pure states based on these properties of the field quantum entropy can be prepared.     

三能级原子与奇偶纠缠相干光作用的光场压缩

采用求解薛定谔方程和数值计算方法,研究了V型三能级原子与双模奇偶纠缠相干光场相互作用过程中的光场压缩效应,讨论了压缩效应与双模奇偶纠缠相干光场的纠缠程度、系统失谐量、双模光场的平均光子数和原子基态概率幅的依赖关系。结果表明：光场压缩效应与双模奇偶纠缠相干光场的纠缠程度、失谐量、平均光子数和原子初态相关联：双模纠缠相干光场处于非纠缠状态时的光场压缩量比光场处于纠缠状态时要大;原子处在单纯的基态或激发态时光场都有明显的压缩现象出现;而原子初态中基态和激发态的概率幅较接近时无光场压缩现象;无论光场是否处于纠缠态,只有两模平均光子数接近时,光场才会出现压缩效应。     

克尔介质中双模纠缠相干光与贝尔态原子相互作用系统的光子统计特性

运用全量子理论并结合数值计算方法,研究了克尔介质腔中处于贝尔态的两个全同二能级纠缠原子与双模纠缠相干光场相互作用系统的光子统计特性。讨论了双原子体系的初态、初始光场的平均光子数、双模纠缠相干光场的纠缠程度以及克尔介质与双模光场的耦合强度对光子统计特性的影响。结果表明:忽略克尔介质的作用时,只有当双原子体系的初态为0β1〉或1β1〉时,在一定的条件下才可出现光子的反聚束效应,而当双原子体系的初态为β00〉、1β0〉时,光场在其演化过程中不出现光子的反聚束效应。而当考虑克尔介质的作用时,四种初态下光场演化过程中均有可能出现光子的反聚束效应。光子的反聚束效应出现的次数、时间和深度极其敏感地依赖于初始光场的平均光子数和克尔介质与双模光场的耦合强度,同时也受到双模纠缠光场的纠缠程度的影响。     

SU(1,1)相干态与玻色-爱因斯坦凝聚相互作用系统中的量子纠缠

研究的系统为SU(1, 1)相干态和玻色-爱因斯坦凝聚体相互作用体系,在双光子跃迁过程中,分别用量子约化熵和量子相对熵研究了该系统中的SU(1, 1)相干态与凝聚体间的纠缠以及SU(1, 1)相干态的模间纠缠,分析了光场初始压缩因子、原子间相互作用对场-凝聚体间纠缠和模间纠缠的影响。     

SU(1,1)相干态与玻色-爱因斯坦凝聚相互作用系统中的量子纠缠

研究的系统为SU(1, 1)相干态和玻色-爱因斯坦凝聚体相互作用体系,在双光子跃迁过程中,分别用量子约化熵和量子相对熵研究了该系统中的SU(1, 1)相干态与凝聚体间的纠缠以及SU(1, 1)相干态的模间纠缠,分析了光场初始压缩因子、原子间相互作用对场-凝聚体间纠缠和模间纠缠的影响。     

An atom and a photon

The coherent control of single-photon emitters as, e.g., single ions or atoms, is a crucial element for mapping quantum information between light and matter. The possibility of generating entanglement between a photon and the emitter system provides an interface between matter-based quantum memories and photonic quantum communication channels, which is the essential resource for quantum repeaters and other future quantum information applications. To generate entangled atom-photon states, in our experiment, we store a single ⁸⁷Rb atom in an optical dipole trap. The single-atom/single-photon character is confirmed by the observation of photon antibunching in the detected fluorescence light. The spectral properties of single photons emitted by the atom allowed us to determine the mean kinetic energy of the atom corresponding to 105 μK. We describe a single-atom state analysis method which allowed us to characterize the entanglement between the atom and a single photon emitted in the spontaneous decay. We obtain an entanglement fidelity of 89% that clearly shows the high degree of entanglement in our system and potential for further applications in quantum communication.     

混合态下运动原子与相干态光场相互作用的量子纠缠

利用负熵方法,研究了混合态运动原子与相干态光场相互作用系统的量子纠缠特性,讨论了原子初态、场模结构参数、相干场平均光子数、失谐量、跃迁光子数等物理参量对系统纠缠度的影响。结果表明：考虑原子运动时,系统纠缠度在整个时域范围内出现了规则的周期振荡。原子初态趋于纯态时系统纠缠度较高。随着相干场平均光子数的增大,系统纠缠度的峰值逐渐变小,规则振荡的周期不变。随着跃迁光子数的增大,系统纠缠度的峰值逐渐变大,振荡变得越来越快。随着失谐量的增大,系统纠缠度的峰值逐渐变小。     

混合态下运动原子与相干态光场相互作用的量子纠缠

利用负熵方法,研究了混合态运动原子与相干态光场相互作用系统的量子纠缠特性,讨论了原子初态、场模结构参数、相干场平均光子数、失谐量、跃迁光子数等物理参量对系统纠缠度的影响。结果表明：考虑原子运动时,系统纠缠度在整个时域范围内出现了规则的周期振荡。原子初态趋于纯态时系统纠缠度较高。随着相干场平均光子数的增大,系统纠缠度的峰值逐渐变小,规则振荡的周期不变。随着跃迁光子数的增大,系统纠缠度的峰值逐渐变大,振荡变得越来越快。随着失谐量的增大,系统纠缠度的峰值逐渐变小。     

Reversible state transfer between light and a single trapped atom

We demonstrate the reversible mapping of a coherent state of light with a mean photon number (-)n approximately equal to 1.1 to and from the hyperfine states of an atom trapped within the mode of a high-finesse optical cavity. The coherence of the basic processes is verified by mapping the atomic state back onto a field state in a way that depends on the phase of the original coherent state. Our experiment represents an important step toward the realization of cavity QED-based quantum networks, wherein coherent transfer of quantum states enables the distribution of quantum information across the network.     

运动强度相关耦合J-C模型中的熵交换和纠缠

考虑一个运动的二能级原子与单模热光场强度相关耦合,采用量子约化熵研究原子和场的约化熵变化规律、原子与场的熵交换,用共生纠缠度研究原子与场的纠缠。并借助于数值计算方法,详细分析了在强度相关耦合J-C模型中,原子初态、热光场的平均光子数以及场模结构参数对熵交换和纠缠的影响。结果表明原子与光场的熵交换和纠缠均周期性地演化。选择适当的原子初态,可以使得原子的约化熵和光场的约化熵完全交换,这意味着原子与光场反相关。此外,场模结构参数增加导致熵交换的幅度减小,周期缩短。原子与热光场的纠缠随平均光子数的增加而减弱。     

运动原子多光子J-C模型中的熵交换与纠缠

考虑一个运动的二能级原子与单模热光场经由多光子过程相互作用, 利用量子约化熵理论研究原子与场之间的熵交换、用Concurrence量度原子与场之间的纠缠, 讨论原子初态、原子运动、热场平均光子数以及跃迁光子数对熵交换和纠缠的影响. 结果表明: 考虑原子运动时, 原子和光场熵变呈现周期性, 且发生熵交换现象; 与热光场的相互作用导致运动原子与场纠缠, 多光子过程有利于纠缠加强. 在原子和光场熵变均为零处, 纠缠也为零.     

存在相位退相干时原子与光场相互作用的纠缠演化和保持

应用全量子理论研究了存在相位退相干时单模相干光场与一个二能级原子相互作用系统纠缠的时间演化规律;分别讨论了原子—光场耦合常数、光场的平均光子数以及失谐量的大小对场与原子纠缠的影响.结果表明:随着原子—光场耦合常数的增大和光场平均光子数的增加,系统纠缠的振荡频率都会明显增大.不存在相位退相干时,纠缠的时间演化明显受到失谐量的影响,若选取适当的失谐量,系统的纠缠可长时间保持在最大纠缠态.若考虑相位退相干的影响,则在共振情况下系统纠缠的时间演化是一个逐渐衰减的过程,且最终衰减到零;但若存在适当的失谐量,则在初始一段时间内系统的纠缠也是一个波动幅度逐渐衰减的过程,但随着时间的演化,失谐量抵消了相位退相干的影响,使系统的纠缠不再衰减到零.如果增大失谐量,纠缠在初始一段时间内波动的幅度会相应的减小,并且纠缠趋于稳定的时间也随着失谐量的增大而缩短;当失谐量适当时,系统可保持在纠缠相对较大的状态而无消纠缠态.     

Entanglement and nonclassicality evolution of the atom in a squeezed vacuum

As an important parameter, von Neumann entropy has been used to characterize the entanglement between atom and light field. We discussed the entanglement and nonclassicality evolution of an atom in a squeezed vacuum—a typical nonclassical field, and compare it with that of the coherent state. It shows that the atom-field entanglement in squeezed vacuum is much stronger and stabler than that in coherent state, whereas the nonclassicality of the light field depends on its initial status. This investigation is trying to find a new insight into the relation between entanglement of atom-field system and nonclassicality of light fields. The result shows that the entanglement between the atom and the field can be maintained well in the squeezed vacuum and this implies better control of atom and photon mutually.     

二项式光场与级联三能级原子的量子纠缠

利用量子熵理论，研究了二项式光场与级联三能级原子的量子纠缠，讨论了光场与原子的初始参量对其量子纠缠性质的影响.结果表明，利用二项式光场的特性，可以揭示从相干态到数态之间的所有态光场与三能级原子相互作用时的量子纠缠性质.选择适当的系统参数可以制备稳定的光场-原子qutrit纠缠态. 关键词： 二项式光场 级联三能级原子 光场熵 量子纠缠     

激光场的经典极限条件及其在量子门中的应用

当一个二能级原子(在量子计算中可看成一个量子位)与一相干光场作用时,一般来说原子将与光场关联,原子不再作幺正演化.这样,在量子计算中,即使不考虑量子位与环境的耦合,量子位态也将发生消相干;但当光场的平均光子数足够大时,可忽略它们之间的关联,原子则作幺正演化.本文详细说明了这一点,并指出大的平均光子数是实现量子计算中量子门的必要条件.     

克尔介质中纠缠光与三能级原子作用的光子统计

采用求解薛定谔方程和数值计算方法,研究了克尔介质中双模纠缠相干光场与三能级原子相互作用系统的光子统计性质,分析了双模纠缠相干光场的纠缠程度、克尔介质与光场的耦合强度、双模光的平均光子数和原子基态概率幅对光子统计性质的影响。结果表明：双模纠缠相干光场的纠缠程度对光子统计性质没有明显的影响;克尔效应增强使光子统计性质的时闻演化曲线的振荡频率变大、振荡幅度变小;当保持场模1的平均光子数不变而场模2的平均光子数变小时,光子统计性质的时间演化曲线的振荡幅度变大。     

与光场依赖强度耦合下运动纠缠双原子的周期量子回声

本文将Tavis-Cummings(T-C)模型推广到同时考虑原子运动及与光场依赖强度耦合的情况.运用全量子理论,研究了与光场依赖强度耦合下运动纠缠双原子量子态保真度演化.采用数值计算的方法,探讨了双原子初始纠缠因子θ、光场平均光子数n以及场模结构参量p对双原子量子态保真度演化的影响,解析分析了双原子周期量子回声的形成规律,揭示了其物理实质.结果表明, 在场模结构参量p=1的情况下,无论光强和双原子初始纠缠因子如何取值,双原子均产生周期2π的量子回声;在强相干场n=30条件下,改变p从1到小于800时,Bell态双原子产生2π/p周期量子回声.当p≥800时,无论光场是真空场、弱相干场或强相干场,双原子量子态保真度恒为1,即第一类Bell态原子持续处于保真态;而当双原子初始纠缠因子为3π/4时,无论n、p取何值,双原子量子态保真度保持为1,双原子持续处于第二类Bell态的保真态.其结论表明, 该推广模型具有很好的双原子周期量子回声性质,为纠缠双原子信息高保真输出及噪音环境下量子信息处理的实验实现提供了理论参量和物理载体.