四能级原子与双模腔场相互作用中的非线性效应

本文研究了一串级型四能级原子与双模腔场的相互作用,其中位于下方的模2腔场初始时刻不存在。计算表明,在一定的条件下,模2腔场的动力学行为中存在着长时间的深压缩现象或场复振幅算符两个正交分量的交替压缩现象,存在着强烈的反聚束效应以及强烈的超聚束效应,而且压缩与超聚束效应之间有一定的对应关系,非经典的压缩态和反聚束效应能够同时出现。模2腔场的这些非线性效应与复杂的叠加态有关。 关键词：     

两模微腔中四能级原子粒子布居数随时间的演化

在相互作用绘景中利用微扰法求解了两模微腔的腔模与注入其内的四能级原子^40Ca构成的相互作用系统的态函数随时间的演化关系,在此基础上导出了原子的约化密度算符及其粒子布居数随时间的演化关系,由此可进一步研究四能级原子在腔场中的动力学行为。     

双模腔场与一个V型三能级原子共振相互作用的量子统计性质

采用全量子理论和数值计算方法,研究了初始处于相干态的双模腔场与一个V型三能级原子共振相互作用的量子统计性质,讨论了在没有对原子进行态选择性测量、直接对原子进行态选择性测量和应用经典微波场并对原子进行态选择性测量的三种情况下,腔模平均光子数、耦合系数及相互作用时间对亚泊松统计、模间相干性、光子聚束反聚束效应和违背Cauchy-Schwarz不等式的影响。结果表明:对原子进行态选择性测量后,亚泊松统计特性明显地增强、模间反相关性明显地减弱、Cauchy-Schwarz不等式总是被违背;两个腔模平均光子数差比较大时,对原子进行态选择性测量后,a模腔场总是呈现反聚束效应。     

二能级原子与双模场喇曼相互作用模型的腔场谱

研究了在高Q腔内二能级原子与双模量子化光场发生双光子共振喇曼相互作用过程的腔场谱.发现原子初态的不同不改变腔场谱结构的基本特征.两模光场初态均为光子数态或均为相干态时,每模腔场谱一般都为双线结构,两条谱线的频差与另一模初始场强大致成正比,改变一模初始场可以调节另一模谱线频率.     

二能级原子与双模场喇曼相互作用模型的腔场谱

研究了在高Q腔内二能级原子与双模量子化光场发生双光子共振喇曼相互作用过程的腔场谱.发现原子初态的不同不改变腔场谱结构的基本特征.两模光场初态均为光子数态或均为相干态时,每模腔场谱一般都为双线结构,两条谱线的频差与另一模初始场强大致成正比,改变一模初始场可以调节另一模谱线频率     

耗散腔中多光子J-C模型中的密度算符间距

研究了腔场存在相位耗散时多光子J-C模型中光场、原子和系统的密度算符间距;讨论了原子初始态、光场强度以及腔场耗散系数对密度算符间距的影响;且比较了不同跃迁光子数下体系的密度算符间距。结果发现：①密度算符间距与原子的初始态密切相关。②光场和系统的密度算符间距在耗散腔中作减幅周期振荡最终达到稳定,达到稳定所需时间随腔的耗散系数增大而缩短;而原子的密度算符间距与腔的耗散无关。③随着光场初始强度的增加,光场和系统与各自初始态的偏离程度增大。④对于双光子跃迁,当腔场存在相位损耗时光场和系统的密度算符间距仍作减幅周期振荡,原子仍周期性的回到纯态。但由于光场与原子的纠缠和退纠缠速率加快,密度算符间距在每个周期内振荡加剧。     

耗散腔中多光子J-C模型中的密度算符间距

研究了腔场存在相位耗散时多光子J-C模型中光场、原子和系统的密度算符间距;讨论了原子初始态、光场强度以及腔场耗散系数对密度算符间距的影响;且比较了不同跃迁光子数下体系的密度算符间距.结果发现:①密度算符间距与原子的初始态密切相关.②光场和系统的密度算符间距在耗散腔中作减幅周期振荡最终达到稳定,达到稳定所需时间随腔的耗散系数增大而缩短;而原子的密度算符间距与腔的耗散无关.③随着光场初始强度的增加,光场和系统与各自初始态的偏离程度增大.④对于双光子跃迁,当腔场存在相位损耗时光场和系统的密度算符间距仍作减幅周期振荡,原子仍周期性的回到纯态.但由于光场与原子的纠缠和退纠缠速率加快,密度算符间距在每个周期内振荡加剧.     

两双能级原子与双模腔场多光子共振相互作用辐射谱的一般特征

本文从非相对论量子电动力学理论的普遍原理出发,首先建立了与J-C模型相关的“双模腔场-两原子”系统的多光子相互作用模型,并求得本征算符在共扼相互作用情形下的本征函数展开式;然后,重点研究了两个通过偶极-偶极力关联的有效二能极原子与双模腔场多光子共振相互作用辐射谱的一般特征。结果表明,当双模腔场分别处于不同数态时,辐射谱一般呈现出非对称的8峰结构,但在不同的条件下,辐射谱会呈现出数目不等、形状各异的谱线。两原子非简并双光子J-C模型的辐射谱可作为特例得出。     

用不变量方法解具有非线性场和原子与场非线性耦合的Jaynes-Cummings模型

采用Lewis-Riesenfeld不变量方法研究了具有非线性场和任意形式原子与场相互作用的Jaynes-Cummings模型.该模型由于具有超对称代数结构,因此其Hamiltonian量可用超对称算符的线性组合表示.在算符N′的本征值子空间,用生成元算符构造出系统的不变量后,利用不变量方法求得了系统的一般波函数和时间演化算符,同时也计算了原子布居数和光子数的时间演化表达式.     

两等同双能级原子与q模腔场任意N~∑光子共振相互作用辐射谱研究

本文建立了“q模腔场-两原子”系统的任意N∑光子相互作用模型，利用这一模型研究了两个偶极一偶极力关联的等同双能级原子与q模腔场任意N∑光子．共振相互作用的辐射谱．对q模腔场分别处于不同数态：即q模腔场均为真空场、q模腔场均为强场、1模为真空场（q－1）模为强场、q0模为真空场（q—q0）模为强场、以及（q—1）模为真空场1模为强场时辐射谱的结构持征及物理特性进行了详细分析，揭示出“q模腔场-两原子”系统任意N∑光子共振相互作用辐射谱的一般特征．现有文献报道，仅仅是本文的普遍性结果在各种不同情况下的特例．     

Extended entanglement to quantum networks

Connecting individual quantum systems through quantum channels leads to develop quantum networks crucial to perform multipartite communication or quantum cryptography. We present two techniques to generate entanglement among different parties at larger scale. In the first approach cavity QED technique is used to produce extended entanglement in atomic internal and external degrees of freedom. In this scheme we entangle two tagged atoms in their momentum state with cavity fields. Later, interaction of two auxiliary atoms with the two cavity fields in non-dispersive and dispersive fashion transforms the atoms–fields entanglement to atoms–atoms entanglement. Quantum measurement on auxiliary atoms generates extended entangled state in atomic degrees of freedom. In the second approach we take three cavities in which the two cavities have separate entangled state with third cavity in two modes which are distinguishable. Applying quantum measurement process on third cavity, we develop extended entangled state among the three cavities. We provide experimental parameters to realize the work in laboratory experiment.     

利用V型三能级原子与相干态光场Raman相互作用传送未知原子态

描述了简并V型三能级原子与单模相干态光场的Raman相互作用,获得了处于激发态单态的原子与相干态光场相互作用的结果.利用探测原子与光场的相互作用将原子和光场制备成最大缠结态,并注入待测原子,通过原子与腔模构成的Bell基矢演化,对腔场进行选择性探测,获得探测原子相互作用后可能的量子状态,然后对待测原子与腔场进行联合探测,接着对探测原子的量子状态实施幺正变换,就将探测原子制备到待测原子的初始量子态上,从而实现未知原子态的隐形传送.     

利用V型三能级原子与相干态光场Raman相互作用传送未知奇偶相干态

描述了简并V型三能级原子与单模相干态光场的Raman相互作用，获得了处于激发态单态的原子与相干态光场相互作用的结果。利用探测原子与光场的相互作用将原子和探测光场制备成最大纠缠态，并将原子注入待测任一奇偶相干叠加态，通过原子与待测腔模构成的Bell基矢演化，对原子进行选择性探测，获得奇偶相干叠加态与原子相互作用后可能的量子状态，然后对待测腔场与原子进行联合探测，接着对所测奇偶相干态腔场的量子状态实施么正变换，就将探测腔场制备到待测腔场的初始量子态上，从而实现未知奇偶相干态的隐形传送。     

Entanglement for a Bimodal Cavity Field Interacting with a Two-Level Atom

Negativity has been adopted to investigate the entanglement in a system composed of a two-level atom and a two-mode cavity field. Effects of Kerr-like medium and the number of photon inside the cavity on the entanglement are studied. Our results show that atomic initial state must be superposed, so that the two cavityfield modes can be entangled. Moreover, we also conclude that the number of photon in the two cavity mode should be equal. The interaction between modes, namely, the Kerr effect, has a significant negative contribution. Note that the atom frequency and the cavity frequency have an indistinguishable effect, so a corresponding approximation has been made in this article. These results may be useful for quantum information in optics systems.     

远程控制光场的量子统计性质

考虑双模纠缠相干光场,将其中一束光场注入腔中与一个二能级原子发生共振相互作用,总系统在腔量子电动力学演化过程中,对原子作选择性的测量,通过操纵参加相互作用的时间以及选择适当的光场参量可控制未参加相互作用光场的量子统计性质,在一定条件下可产生反聚束、压缩态等非经典光场,并且通过适当的控制和调整这些参量可以改变未参加相互作用光场的反聚束和压缩特性的强弱。这样,通过利用腔与原子之间简单的共振相互作用和相干光场之间的纠缠关联,实现了远程的、无直接量子测量的控制或改变相干光场的非经典性质这一目的。     

Rabi oscillations and generalizations

A unified, quantum mechanical account of the behavior of a model atom with few relavant energy eigenstates and subject to intense monochromatic incoming radiation is given. The modifications of the standard application of quantum electrodynamics needed to include incoming fields of finite intensity are described. A projected Green's function method for evaluating either the time evolution or spectral properties of systems is developed and applied to a variety of systems, including: (1) An atom with two to four levels interacting with a radiation field of one or two modes, resulting in various forms of Rabi oscillation; (2)_An atom interacting with all modes of the radiation field in its vacuum state, resulting in the possibility of spontaneous radiation; (3) An atom interacting with all modes of the radiation field with one highly excited, resulting in damped Rabi oscillation, resonance fluorescence, optical pumping, and in a continuing sequence of photon emissions which are studied in some detail.     

非简并双光子Jaynes-Cummings模型腔场谱中的量子干涉

研究了两模二项式光场与二能级原子在高Q腔中发生双光子相互作用过程的腔场谱,给出了弱初始场条件下腔场谱的数值计算结果,讨论了两模腔场谱间的量子干涉.结果表明:两模腔场谱间的量子干涉随着频差的增大而呈现出周期性的衰减振荡,其振荡周期约为0·16g(g为原子与光场的相互作用强度系数),频差大于1·6g时干涉效应已经很弱.量子干涉还与初始场强度有关,随着初始场最大光子数的增加,量子干涉效应逐渐增强,但当光子数大于4时,干涉效应迅速减弱,当最大光子数大于6时,量子干涉现象几乎消失.     

Scheme for direct measurement of Wigner function in two-mode cavity QED driven by classical fields

We propose a scheme for the direct measurement of Wigner function in two-mode cavity QED.The atoms are sent to resonantly interact with two orthogonally polarized cavity modes in the presence of strong classical field.The probability of measuring the atom in the ground state directly gives the useful information of the cavity field.This method can be used for quantum non-demolition measurement of the photon number.     

一个传送原子纠缠态的新方案

本文提出一个通过原子和腔场相互作用传送未知原子纠缠态的新方案,并且成功概率为100%.在这个方案里,我们主要利用两个原子用来接受被传送的原子纠缠态以及一个双模腔作为量子通道.由于腔场的两个模具有不同的频率和正交极化,因此这两个模能够被区分,并且处于腔场的不同区域.原子和腔场通过J-C哈密顿量发生共振相互作用,当原子和其中一个模相互作用时,另外一个模不受影响.该方案既不需要贝尔态测量,也不需要任何操作重构纠缠初态.这个方案也可以推广到传送N个原子的纠缠态.     

Closed-System Solution of the 1D Atom from Collision Model

Obtaining the total wavefunction evolution of interacting quantum systems provides access to important properties, such as entanglement, shedding light on fundamental aspects, e.g., quantum energetics and thermodynamics, and guiding towards possible application in the fields of quantum computation and communication. We consider a two-level atom (qubit) coupled to the continuum of travelling modes of a field confined in a one-dimensional chiral waveguide. Originally, we treated the light-matter ensemble as a closed, isolated system. We solve its dynamics using a collision model where individual temporal modes of the field locally interact with the qubit in a sequential fashion. This approach allows us to obtain the total wavefunction of the qubit-field system, at any time, when the field starts in a coherent or a single-photon state. Our method is general and can be applied to other initial field states.