應(yīng)用電磁感應(yīng)透明腔對量子漲落的相干控制

1、激光原理期中論文翻譯 姓 名：姜西瑤學(xué) 號：2012213884班 級：2012級物師三班 電磁感應(yīng)透明腔對量子漲落的相干控制我們研究一束通過單原子量子電動力學(xué)腔（以下簡稱CQED）和電磁感應(yīng)透明腔（以下簡稱EIT）光束在量子漲落下的全光控制。其中EIT控制場用來調(diào)諧CQED的躍遷頻率，使其在光探針的共振頻率左右波動。這樣，光子的封鎖和抗封鎖影響分別被用來產(chǎn)生亞泊松及超泊松光場?？刹僮鞯牧孔涌刂茷橐环N新型量子晶體管模型的實現(xiàn)打下基礎(chǔ)，這種晶體管可以用來放大或減弱一束光的相對噪聲強度，通過對近期實驗的真實的相關(guān)數(shù)據(jù)進行計算，它的可行性也被證實。量子工程致力于發(fā)展新的觀念和工具來進行對量子現(xiàn)象，尤

2、其是在最基本的單個粒子水平方面的控制性應(yīng)用。在光學(xué)物理領(lǐng)域，量子電動力學(xué)腔（CQED）為單個光子和物質(zhì)的相互作用設(shè)定了理想的環(huán)境。事實上，通過單個和高精度空腔緊密耦合的發(fā)射器所產(chǎn)生的光學(xué)的非線性（分布）可以實現(xiàn)從量子相干網(wǎng)絡(luò)到量子仿真之類的新任務(wù)。實現(xiàn)交換量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的量子態(tài)和產(chǎn)生連續(xù)的光子流的過程（這兩個過程則可以反映模擬量子系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)下的粒子分布）則需要對真實的量子系統(tǒng)的更強力的控制能力。這里，我們通過一個限制在高精度空腔的三維原子證明，對一個通過電磁感應(yīng)透明腔和量子電動力學(xué)腔的光子封鎖的光探針的量子漲落進行光學(xué)控制是可實現(xiàn)的。利用原子-空腔系統(tǒng)的非和諧能級結(jié)構(gòu)，一束（向內(nèi)）入射的激光可

3、以被控制性轉(zhuǎn)變?yōu)橥庀虻膹V場，并伴隨光子數(shù)目在散粒噪聲水平附近的漲落，這種控制取決于對激光控制參數(shù)的設(shè)定。我們的系統(tǒng)可以說是又向量子晶體管邁進了一步，與經(jīng)典的晶體管對平均強度的控制相比，量子晶體管可以實現(xiàn)對光場的相對噪聲強度的放大或減弱。這種意義上的晶體管把眾所周知的傳統(tǒng)晶體管的定義延伸到了量子領(lǐng)域，根據(jù)不可克隆原理，在這個領(lǐng)域中，無條件地放大是被禁止的。我們考慮一個被限制在裝置中的具有三個能級的原子與一個來自高精度共振器的單一頻率波模緊密耦合。這個空腔被一個強度為，頻率為的相干場（探針）所驅(qū)動。躍遷的原子與真空拉比頻率的腔模耦合，躍遷的原子與靜電場（控制）的頻率和拉比頻率的腔模耦合。引入電偶極

4、子和旋波近似，描述原子場耦合的與時間相獨立的哈密頓函數(shù)可以由如下形式給出：這里，分別為光子湮滅和產(chǎn)生算符，在時為原子的升降算符，在是為原子能級粒子數(shù)算符。失諧（情況）取決于，。系統(tǒng)的動力學(xué)性質(zhì)通過求解原子腔的密度主方程獲得：這里是腔內(nèi)場的衰減速率，、分別為從激發(fā)態(tài)到、能級的極化衰減速率。我們根據(jù)參考系中的探針強度來截斷腔腸的?？嘶?，以此來求解穩(wěn)定態(tài)下的。我們研究強耦合狀態(tài)下的體系，我們用一個探針對它進行控制，探針的能量為，足夠填充與多光子轉(zhuǎn)換相關(guān)的能級。圖一：噪聲控制量子晶體管原型。：置于裝置中的三能級原子表明，對于所有的相關(guān)失諧腔場（）和控制場（）分別和、轉(zhuǎn)換過程耦合，還有所有的相關(guān)失諧。

5、：用參數(shù)將透射光譜（在對數(shù)尺度上）和二能級量子電動力學(xué)系統(tǒng)的標準化探針腔失諧相對照。對三能級系統(tǒng)而言，所用參數(shù)為：，左邊和右邊的插圖分別表示二能級和三能級結(jié)構(gòu)的原子腔本征態(tài)，分別伴隨和。、表示單光子轉(zhuǎn)換，表示雙光子轉(zhuǎn)換。在我們開始展示如何用相干修改探針的光子統(tǒng)計之前，有必要強調(diào)一下電子感應(yīng)透明腔和二能級的量子電動力學(xué)腔結(jié)構(gòu)的區(qū)別?？紤]理想腔和控制場共振見圖一我們計算了兩種情況的相對透射譜。對于腔量子電動力學(xué)系統(tǒng)見圖一左部分的紅色實線我們觀察到顯著的真空拉比分裂并伴隨較小失諧的側(cè)峰，這與雙光子在兩個不同的Jaynes-Gumming流形中的轉(zhuǎn)換相一致。所有的轉(zhuǎn)換因為能級的不均勻分裂，而以不同的頻

6、率發(fā)生。這時，電磁感應(yīng)透明的存在就產(chǎn)生一個類Autler Townes的影響，使得態(tài)分裂為兩個對稱的態(tài)上，并便隨的能量轉(zhuǎn)移并結(jié)合到基態(tài)上。用新基矢改寫電磁感應(yīng)透明腔的哈密頓方程，對于的，屈服于以下本征態(tài)：其中和為歸一化因子。本征值的本征態(tài)（或者它的任意組合）為電磁感應(yīng)透明腔系統(tǒng)的腔內(nèi)暗態(tài)，產(chǎn)生一個類空腔傳輸。此外，本征值為的綴加態(tài)表示電磁感應(yīng)透明腔原子腔系統(tǒng)分擔(dān)個激發(fā)。類似于量子電動力學(xué)系統(tǒng)，它們組成一個階梯結(jié)構(gòu)，并伴隨能級分裂 見圖一的右部分。這些新的綴加態(tài)可以通過調(diào)整探針腔失諧處理。在圖一中（藍色實線）所示，我們利用與二能級結(jié)構(gòu)及相同的一套參數(shù)表明了腔平均傳輸下新能級結(jié)構(gòu)的原因。我們將對應(yīng)

7、于的轉(zhuǎn)移空間的拉比分裂和對應(yīng)于第一個多光子轉(zhuǎn)移過程的二次共鳴相區(qū)分。另外，我們在被稱為腔內(nèi)暗態(tài)的零失諧點處發(fā)現(xiàn)了一個狹窄的透射窗口。我們注意到，電磁感應(yīng)透明腔下第一峰和第二峰的頻率差和總是比量子電動力學(xué)腔的要大，因為對任意的總有圖二：相關(guān)與，的量子電動力學(xué)腔和、相同，的電磁感應(yīng)透明腔下標準化探針腔轉(zhuǎn)換對照：對于電磁感應(yīng)透明腔的本征態(tài)的分布和的本征態(tài)的分布，以及對應(yīng)的暗態(tài)的分布。圖三：相關(guān)與一套相同參數(shù)設(shè)置、不同探針腔失諧的電磁感應(yīng)透明腔系統(tǒng)下控制場的標準化拉比頻率相對照：時電磁感應(yīng)透明腔本征態(tài)的分布和對應(yīng)的暗態(tài)的分布。垂直的虛線將相關(guān)與相關(guān)本征態(tài)的分布聯(lián)系起來。為了描述所研究體系的量子性質(zhì)，我

8、們現(xiàn)在計算同時條件下光子與光子間的相關(guān)性，在穩(wěn)態(tài)下，我們計算原子腔體系的密度算符得出。在圖二中，我們比較了作為標準化探針腔失諧 的函數(shù)的在量子電動力學(xué)腔和電磁感應(yīng)透明腔情況下的相關(guān)性。 電磁感應(yīng)透明腔下的極小值與轉(zhuǎn)移，（單光子）和，（雙光子）見圖一右部分有關(guān)，這與我們在透射光譜中的發(fā)現(xiàn)類似。這種相關(guān)性同樣顯示出其他轉(zhuǎn)換的鮮明特征。例如，極大值與單光子轉(zhuǎn)換，和多光子轉(zhuǎn)換相關(guān)。見圖二中標記星號的地方。電磁感應(yīng)透明腔還有其他關(guān)鍵方面，即在時的相干場 見圖二a中水平虛線，圖三和圖四，還有在附近的光子束。這與強光束行為和量子電動力學(xué)腔內(nèi)各失諧相干場形成鮮明對比。的這種行為與本征態(tài)總頻譜曲線的極大值相關(guān)見

9、圖二中垂直虛線部分。一個顯著的特點是最大可實現(xiàn)光子反聚束（光子阻塞）的提高，這是由于和量子電動力學(xué)腔相比，電磁感應(yīng)透明腔系統(tǒng)的第一峰和第二峰的具有更大的頻率差，因而減小了激發(fā)第二種流形的可能性。至此，我們已經(jīng)證實通過改變輸入場的頻率可以調(diào)整向外場的光子統(tǒng)計。為了設(shè)計一個量子控制裝置，這種可能性由外部控制場提供。如圖三所示，繪制了不同探針腔失諧下控制場的標準化拉比頻率的相關(guān)。從電磁感應(yīng)透明腔的能級結(jié)構(gòu)圖一右部分可以看到，改變控制場的拉比頻率會改變過渡共振的頻率。當(dāng)保證為常數(shù)時，我們探測到區(qū)域內(nèi)的亞泊松和超泊松光束。據(jù)我們所知，這是光子統(tǒng)計的光學(xué)控制第一次被預(yù)測，而這又是強耦合單原子電磁感應(yīng)透明腔

10、所提供的結(jié)果。與圖二a中的分析相似，對于每種失諧第一個（最左邊）超泊松峰（見圖三a）都與附近區(qū)域內(nèi)的第二暗態(tài)和多光子態(tài)的分布有關(guān)對應(yīng)于如圖三b中所描繪的時的轉(zhuǎn)換。（見垂直虛線部分）當(dāng)轉(zhuǎn)換被探針場共振驅(qū)動，導(dǎo)致亞泊松光束由于單光子阻塞而產(chǎn)生時，若進一步增加，的第一個也是最顯著的極小值會被獲得。一旦這種共振環(huán)境被擾亂導(dǎo)致增大，一個超泊松場會被產(chǎn)生。我們強調(diào)：對比前面所討論的第一個超泊松峰，在本征態(tài)分布中沒有發(fā)現(xiàn)極大值。當(dāng)控制拉比頻率增加到時相似的情景也會發(fā)生。當(dāng)時一個顯著的亞泊松極小被發(fā)現(xiàn)，并且本征態(tài)分布中沒有極小值。當(dāng)稍微增加使雙光子轉(zhuǎn)換 被共振驅(qū)動時情況就有所不同了，如態(tài)在（對于）時的分布區(qū)域

11、極大值所表現(xiàn)的那樣。但是同單光子共振所發(fā)生的情況相反，我們現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)了超泊松統(tǒng)計。從亞泊松到超泊松統(tǒng)計的變化發(fā)生在一個非常小的控制場范圍，即在和之間。這表明唯一的轉(zhuǎn)換可能由控制場左右。注意如果只有爽光子轉(zhuǎn)換被允許，則光會顯示亞泊松統(tǒng)計。我們做觀察到的雙光子共振超泊松統(tǒng)計是由于系統(tǒng)中同時存在單光子激發(fā)和退激發(fā)轉(zhuǎn)場所致。我們系統(tǒng)的另外一個顯著的特征就是存在一個獨立于的非常大的的區(qū)域。這個托盤狀區(qū)域的寬度可以通過增加探針腔轉(zhuǎn)換來擴展，但這樣會導(dǎo)致亞泊松分布不如之前顯著。圖四相關(guān)與不同探針腔失諧、一套相同的實際參數(shù)（，）設(shè)置下電磁感應(yīng)透明腔系統(tǒng)控制場的標準化拉比頻率相對照在目前為止所有討論的情況中，真正的強光與物質(zhì)耦合被假定為亞泊松場的成果。如前面所示，電磁感應(yīng)透明腔的引入放松了約束。事實上，我們利用近期的量子電動力學(xué)腔實驗所得的數(shù)據(jù)（如圖四）進行的計算表明，獲得類似于如圖三所示的光學(xué)控制是可能的。這表明了用目前可用技術(shù)構(gòu)建所需量子裝置對的可能性?？偟膩碚f，我們研究了一個基于電磁感應(yīng)透明和量子電動力學(xué)腔的準確結(jié)合而建立的新的量子體系。我們展示了光子光子相關(guān)特性，比（光子）傳送有更多結(jié)構(gòu)，這提供了對體系更深一層的洞悉。并且，我們的體系對光束的量子漲落進行光學(xué)控制的能力，為實現(xiàn)可增強和減弱相對量子噪聲的量子晶體管邁出重要一步。一些應(yīng)用是可以