强耦合双光学微腔系统的构建及单粒子的操控与测量

1、.强耦合双光学微腔系统的构建及单粒子的操控与测量【摘要】：单个的二能级原子和单模的量子化场相互作用构成了量子光学中一个最基本的模型,它给了物质与波进行一次单独对话的机会,人们一直希望这次对话尽快开始,进而找到一把发掘大自然最基本元素的钥匙。到了1946年,E.M.Purcell发现在一个“封闭的盒子”内,原子的自发辐射会发生改变,这极大地挑战了A.Einstein的自发辐射理论,人们更需要证实在这个“小盒子”内究竟发生了什么。腔量子电动力学(CavityQED)为此提供了一个平台,在这个系统中物质与波之间的相互作用被量子化到单个原子与单个光子的水平,并保护脆弱的粒子不被外界环境所破坏,人们开始

2、发掘单个原子、光子、甚至场(真空)的物理本质。现今人们已成功构建并实现了单个原子与腔场的强相互作用(强耦合),利用单个原子进行信息的存储,通过单个光子实现信息的传递和读取,实现了对单个量子态的测量和控制。人们可以确定性地操控单个粒子和场之间的相互作用,同时利用量子信息传递的非定域性,实现了量子比特之间的量子通信,并构建多比特的量子逻辑门。进而突破测量理论,不仅可以对单个原子进行量子非破坏性测量,而且测量精度可达到量子极限。至此CavityQED系统在未来构建量子网络,实现高速精确的量子计算及精密测量等方面发挥着重要作用。本文主要围绕强耦合双光学微腔的构建及单原子的俘获与测量展开,具体内容如下：

3、1、搭建完成一套高精细度双光学微腔系统,包括真空系统,磁光阱冷却与俘获原子系统,两个高精细度光学微腔,锁定两个微腔的频率链系统,及单个原子偶极俘获和荧光探测系统。两个高精细度的光学微腔均达到强耦合,耦合强度及腔与原子损耗为(g。,)/2=(10.6,2.3,2.6)MHz,并置于同一真空气室内。频率链系统用于完成对两个光学微腔的锁定。磁光阱冷却与俘获系统用于俘获腔上方的原子团。单原子偶极俘获系统用于在自由空间中俘获单个原子。荧光探测和收集系统包括对辐射光场信号的探测和采集分析,以及控制整个系统工作的时序控制程序。2、对单个原子的俘获和测量。利用远失谐微米尺度的光学偶极阱成功俘获单个原子,并对单

4、个原子进行成像。测量得到单个原子辐射荧光的非经典统计特性,光场呈明显的反聚束效应,单原子辐射荧光的二阶相干度为g2)()=0.12±0.02,单个原子在亮阱中的寿命为9s,在暗阱中的寿命约为18s。3、光场非经典统计特性的理论和实验研究。提出了基于普通商用单光子探测器的一种新的非经典判据,此方案中分别采用三或四探测器,考虑了系统效率和背景噪声的影响,研究了不同光场的非经典统计特性。结果表明与可分辨光子数的单探测器相比,此方案降低了对系统效率的要求,实验上分别验证了相干光场和热光场的结果,理论与实验基本符合。4、基于双CavityQED系统飞行比特之间的纠缠转移。以实验上现有的高精细度

5、双光学微腔系统为基础,理论研究纠缠从光场向两个飞行原子之间的纠缠转移,克服实验上的一些技术难题,不需要将两原子同时和同步地俘获在微腔内。研究了两种非高斯纠缠光场驱动下的结果：NOON态和纠缠相干态(EntangledCoherentState,ECS)。并数值模拟了实际实验条件下的结果,结果表明纠缠可以有效地转移给两个飞行的原子。引入损耗分析研究了整个纠缠转移的动力学演化过程,发现在损耗很大时,两原子间只存在很弱的量子关联。【关键词】：强耦合双光学微腔单粒子操控与测量非经典性纠缠转移量子比特【学位授予单位】：XX大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2013【分类号】：O431.2【目录】：

6、中文摘要11-13ABSTRACT13-16第一章绪论16-321.1引言16-171.2腔量子电动力学研究的意义及其应用17-201.3腔量子电动力学研究进展与概况20-261.3.1强耦合腔量子电动力学系统211.3.2光频区腔量子电动力学的发展现状21-241.3.3新型腔量子电动力学系统的研究进展24-261.4单个原子的全控制26-291.4.1光学偶极阱俘获和操控单个原子26-271.4.2微型光学腔俘获和操控单个原子27-281.4.3单个原子内态的操控28-291.5我们的研究进展与本文的结构安排29-32第二章腔与原子相互作用的基本理论和实验测量方法32-462.1引言322

7、.2Jaynes-Cummings模型32-342.3开放的量子系统34-382.4光频区腔量子电动力学系统的主要参数38-402.5腔量子电动力学系统中的若干测量40-452.5.1单个原子位置信息40-412.5.2原子的温度测量41-422.5.3辐射的统计及其关联特性的测量42-452.6小结45-46第三章实验装置46-683.1引言46-473.2真空系统47-483.3铯原子磁光阱冷却与俘获系统48-533.4高精细度双光学微腔53-553.5新搭建的频率链系统55-623.5.1激光系统的设计和搭建56-573.5.2传导腔的设计和搭建57-593.5.3频率链的锁定59-62

8、3.6单个原子的偶极俘获与荧光探测系统62-673.6.1远失谐偶极俘获系统62-643.6.2单个原子荧光探测和收集系统64-663.6.3数据采集及时序控制系统66-673.7小结67-68第四章单粒子的操控和测量68-1084.1引言68-694.2单光子计数方法69-744.2.1数据采集卡(P7888)及单光子计数模块(SPCM)69-714.2.2单光子计数的概率统计71-724.2.3不同光场的二阶相干度72-734.2.4传统Hanbury-Brown&Twiss(HBT)实验73-744.3单个原子的俘获与测量74-894.3.1微尺度光学偶极阱及其描述74-784.

9、3.2实验装置及参数78-794.3.3偶极阱中单个原子的俘获及其成像79-834.3.4单个原子的荧光信号探测83-844.3.5偶极阱中单个原子寿命的测量84-864.3.6单原子辐射荧光的统计性质86-894.4光场非经典性及其度量方法89-914.5基于DoubleHBT方案的非经典判据91-1074.5.1新的非经典判据的提出91-934.5.2基于多个单光子计数器(SPCM)的理论分析93-974.5.3不同入射光场时的结果97-1034.5.4与可分辨光子数探测器方案的比较103-1044.5.5实验研究104-1074.6小结107-108第五章基于双CQED系统的飞行比特之间

10、的纠缠转移108-1325.1引言108-1105.2基于高精细度双光学微腔纠缠转移的理论模型及其实验意义110-1135.3驱动光场为NOON态时的结果113-1145.4驱动光场为纠缠相干态时的结果114-1155.5飞行比特间纠缠的度量115-1165.6在现有实验可操控条件下原子以不同方式运动时的结果116-1215.7考虑损耗后两飞行比特间纠缠的动力学演化过程121-1305.7.1在现有实验条件下所得出的结果122-1255.7.2在损耗很大时所得到的结果125-1285.7.3两飞行比特间纠缠以外其他的量子关联及其度量128-1305.8小结130-132第六章单个原子内态的操控132-1426.1引言1326.2单原子内态的选取和初始化132-1336.3拉曼(Rama