少体里德堡原子中的新奇量子特性研究

论文摘要

里德堡原子基于其特有的辐射寿命长,电偶极矩较大及其导致的具有长程相互作用等特点,在量子信息与量子计算领域中承担着重要的作用。特别引人关注的是,里德堡原子间的偶极相互作用将会导致所谓的偶极阻塞现象:如果两个原子同时被共振激发到里德堡态,由于其间的强相互作用,原子的能级将发生移动,使得其跃迁频率与驱动光频率之间产生失谐,从而降低激发概率。因此,当一个原子被激发到里德堡态之后,周围原子相同的里德堡态激发将受到抑制,形成激发封锁效应。基于偶极阻塞现象,里德堡原子为诸如量子纠缠态的制备,可靠单光子源的制备以及凝聚态物理中的量子系统模拟等各种量子科学任务提供了一个有效的平台。在本文中,我们探讨了利用原子间相互作用及原子与驱动光之间的失谐来操控里德堡原子之间的各种稳态量子关联,同时研究了里德堡原子激发状态的动力学演化特性,并且进一步探讨了利用里德堡原子在Floquet驱动下实现离散时间晶体的可能性。在第三章中,我们通过求解稳态下的Lindblad主方程,在不同的原子耗散率,驱动光失谐及原子间相互作用强度下研究了双二能级里德堡原子系统中的各种量子关联。我们发现,原子—原子关联,原子—驱动光关联及光子—光子关联之间存在着复杂的竞合关系。在共振驱动的条件下,原子将在偶极阻塞区域内形成密切的量子关联,而原子与驱动光之间的纠缠将由于能级移动而逐渐弱化,同时光子将呈现出强烈的反聚束效应。而在非共振驱动条件下,系统中既存在偶极阻塞区域,也存在着反偶极阻塞区域。这种复杂的结构将导致系统中的量子关联呈现出愈加丰富的特性。特别值得注意的是,与通常认为的耗散将破坏原子间量子关联相反,在反偶极阻塞区域,合适的原子耗散率将诱导产生原子之间的量子关联。通过对单光子失谐进行调控,我们可以方便地操控系统中的各种量子关联。在第四章中,我们利用Lindblad主方程研究了两个彼此之间存在相互作用的二能级里德堡原子的相干动力学演化。对于光学失谐不同的两个原子,我们发现,当二者初态均处于基态时,如果相互作用强度等于失谐之和的三分之二,两个原子的动力学演化行为基本相同。另外,当原子一初始处于基态而原子二初始处于里德堡态时,如果相互作用强度等于失谐之差的两倍时,两个原子的动力学演化行为将基本相反;而如果相互作用强度等于失谐之和时,两个原子的动力学演化行为将精确相反。对此,我们从态跃迁的平衡性出发给予了解释。在第五章中,我们研究了存在最近邻相互作用的一维封闭二能级里德堡原子链在Floquet驱动下的集体动力学演化。我们的数值模拟结果表明:当参数合适时,(1)系统的态布居差将以不同于哈密顿量驱动频率的固定频率稳定振荡(意味着系统时间平移对称性的自发破缺);(2)这种振荡对于驱动拉比频率的扰动可以表现出一定的抗性(意味着时间晶体对于时间扰动具有鲁棒性);(3)这种固定频率振荡的持续次数将随着系统尺度的增加而增加(意味着时间晶体的持续性)。因此,我们认为该模型可以体现出很好的DTC性质。另外,我们还发现合适的失谐可以极大地增强系统相关DTC性质的稳定性,该结果为在更广泛的参数空间中制备DTC提供了参考方案。同时,我们详细讨论了DTC相的边界效应,发现除了传统意义上关于相关驱动参数的边界,系统还表现出了关于系统尺度的阶梯形边界效应。综合以上,对于里德堡原子之间量子关联的研究结果不仅有益于里德堡原子在量子信息领域的研究,为多原子之间量子关联的研究打下了一定基础,并且对于各种量子关联之间相互依存关系的研究做出一定贡献。对于里德堡原子同相以及反相动力学的研究的结果,一方面可以帮助人们进一步了解里德堡原子的相干演化机制,另一方面也可以为在非偶极阻塞区域制备纠缠态,以及对纠缠动力学实现有效控制提供一定思路。而关于里德堡原子实现离散时间晶体的研究,不仅验证了利用二能级里德堡原子制备时间晶体的可行性,还可以帮助人们更深入地理解时间晶体的本质及作用机制。

论文目录

• 中文摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 量子信息及量子计算
•   1.2 里德堡原子及其在量子信息中的应用
•   1.3 少体里德堡原子系统的研究现状
•   1.4 时间晶体
•   1.5 本论文的结构及主要内容
• 第二章 与论文相关的理论基础
•   2.1 量子关联
•     2.1.1 量子纠缠及其线性熵
•     2.1.2 量子协错及其几何度量
•     2.1.3 光子关联及二阶关联函数
•   2.2 二能级原子动力学行为的描述
•   2.3 里德堡原子系统中的量子纠缠现象
•   2.4 离散时间晶体
• 第三章 里德堡原子中各种量子关联的合作与竞争
•   3.1 引言
•   3.2 理论模型及方程
•   3.3 计算结果与讨论
•   3.4 本章小结
• 第四章 可区分驱动下里德堡原子的同相与反相动力学研究
•   4.1 引言
•   4.2 理论模型及方程
•   4.3 同相动力学演化
•   4.4 反相动力学演化
•   4.5 机制分析与讨论
•   4.6 本章小结
• 第五章 利用有限一维里德堡原子链实现离散量子时间晶体
•   5.1 引言
•   5.2 模型及相关理论
•   5.3 计算结果与讨论
•   5.4 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间学术成果情况

文章来源

类型: 博士论文

作者: 范楚辉

导师: 吴金辉

关键词: 里德堡原子,量子关联,少体量子系统,离散时间晶体

来源: 东北师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学,物理学

单位: 东北师范大学

分类号: O413;O562

总页数: 93

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