基于Rydberg阻塞的等效势和超级原子的理论研究

论文摘要

里德堡原子是指原子的最外层电子被激发到主量子数n非常大的高激发态（里德堡态）情况下的原子,它们的电偶极矩比一般中性原子大很多,因而里德堡原子之间存在很强的偶极-偶极相互作用,使得当多个相互作用的里德堡原子被共振光场激发时,仅有一个原子可以被激发到里德堡态,这就是备受关注的里德堡阻塞效应。此外,处于里德堡态的原子还具有自发辐射寿命长等特点。近年来,里德堡阻塞效应在量子信息、超冷等离子体、原子相干激发和多体物理等领域有着广泛的应用,引起了人们很大的兴趣和深入研究。本论文基于里德堡原子间的强偶极-偶极相互作用,研究了下面三个方面的内容,取得了若干具有一定创新性的研究结果:首先,我们求解了在共振激光驱动下的两个偶极-偶极相互作用的阶梯型三能级里德堡原子组成的体系的本征态,发现该系统具有两个能量本征值为零的本征态（二重简并的暗态）,这与文献Phys.Rev.Lett.100,170504（2009）单个暗态的结论是不同的。由于该文献利用受激拉曼绝热跟随技术来产生纠缠态和实现量子逻辑门,而绝热跟随技术在非简并情况下和简并情况下有不同的结论,所以上述文献存在着不足之处,对此我们进行了讨论和评述。我们还求解了在共振激光驱动下的两个偶极-偶极相互作用的Λ型四能级里德堡原子所组成的体系的暗态,发现该系统具有五重简并的暗态,这个结果为我们研究基于暗态的等效矢势和磁单极子奠定了基础。第二,我们研究了激光驱动下的两个Λ型四能级里德堡原子组成的体系中产生等效矢势的方法。根据Wilczek和Zee的理论,我们基于上述简并暗态计算了该体系的非阿贝尔几何相,得到了等效矢势,并提出了一个产生磁单极子的方案。第三,我们研究了光学腔中的里德堡超级原子,提出了两个可以产生量子纠缠态的方案。在这部分工作中,里德堡原子为阶梯形三能级结构,其中下面的两个能级与光学腔中的单模腔场相互作用,而上面的两个能级被激光场驱动。这个体系可以简化为里德堡超级原子与光学腔模和原子模的三体相互作用的体系。我们发现,通过控制光场与原子相互作用的失谐量和相互作用时间,可以产生腔场模与原子模的量子纠缠态。另一方面,如果两个或两个以上的里德堡超级原子同时与光学腔的单模腔场相互作用,可以通过与腔场的共同作用,使两个或多个里德堡超级原子纠缠起来。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 里德堡原子简介
•     1.1.1 里德堡原子的基本性质
•     1.1.2 里德堡原子间的偶极-偶极相互作用
•     1.1.3 里德堡原子的偶极阻塞效应及其应用
•   1.2 绝热定理及基于暗态的等效势
•     1.2.1 绝热定理
•     1.2.2 Berry几何相和Wilczek-Zee几何相
•     1.2.3 基于简并暗态产生等效矢势及磁单极子
•   1.3 里德堡阻塞下的超级原子模型
•     1.3.1 腔量子电动力学和Jaynes-Cummings模型
•     1.3.2 超级原子模型
•   1.4 James有效哈密顿量方法
•   1.5 本文论文论文结构安排
• 第2章 两相互作用的里德堡原子体系的暗态
•   2.1 引言
•   2.2 阶梯型里德堡原子系统的暗态
•     2.2.1 单个阶梯型里德堡原子的暗态
•     2.2.2 文献[44]两个相互作用的阶梯型里德堡原子系统的暗态
•     2.2.3 全空间的哈密顿量及其暗态兼评述文献[44]
•   2.3 两相互作用的Λ型四能级里德堡原子系统的暗态
•     2.3.1 单个Λ型四能级里德堡原子的暗态
•     2.3.2 两个相互作用的Λ型四能级里德堡原子的暗态
•   2.4 本章小结
• 第3章 基于暗态的等效矢势和磁单极子
•   3.1 引言
•   3.2 两个四能级体系的等效矢势与磁单极子的计算
•     3.2.1 四能级结构系统中的等效矢势
•     3.2.2 等效磁单极子的产生
•   3.3 本章小结
• 第4章 里德堡超级原子在腔QED系统中纠缠态的产生
•   4.1 引言
•   4.2 腔QED中超级原子的理论模型
•     4.2.1 超级原子一般模型
•     4.2.2 用两束激光驱动｜1〉?｜r〉之间的跃迁的超级原子模型
•   4.3 腔QED中里德堡超级原子纠缠态的产生
•     4.3.1 腔场中有一个超级原子的情况
•     4.3.2 腔场中有二个超级原子的情况
•   4.4 本章小结
• 第5章 总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 付晶晶

导师: 冯勋立

关键词: 里德堡阻塞,等效矢势,磁单极子,里德堡超级原子,原子模,纠缠

来源: 上海师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 上海师范大学

分类号: O562.4

总页数: 55

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