光力系统在量子信号处理中的理论研究

论文摘要

量子力学被广泛应用于微观粒子及其运动规律的研究,自其诞生以来,深刻地揭示了微观世界的奥妙,推动了现代科技的发展,带来了半导体工业的高度繁荣。近四十年来,人们对量子力学的研究进入新的阶段,量子信息与量子计算成为了当前的研究热点。在构建量子信息网络、制造量子计算过程中,需要对信号进行控制,同时要求尽可能保护信号不被外界环境破坏。因此,对信号的控制以及削弱环境带来的量子噪声显得尤为重要。光力系统在传输和控制光场中有着重要的作用。光力系统中振子可以感知弱力、加速度、质量变化等信号,通过光力相互作用转化为光信号,从而实现对这些信号的传感。此外振子与电磁场耦合不受电磁场频率限制,因此也可以作为媒介使光与微波发生耦合,从而探测微波。在探测传感信号的过程中,涉及信号输出、噪声抑制等问题,需要使用开放系统理论进行处理。为此本论文将致力于开放系统中的光力系统在量子信号处理方面的理论研究,具体研究内容如下:利用光力系统与光纤耦合构成多端口路由器,通过计算我们发现两个相互耦合的光力系统中存在准模与振子的强非线性相互作用,借助这种非线性作用可以实现光子反聚束效应,从而得到单光子。在此基础上我们提出了一个多端口的单光子路由器的理论方案。光力系统与环境的耦合可以呈现非线性,借助被光场囚禁的两个纳米球(等价于机械振子),我们研究了当囚禁场不满足单模近似,有一定带宽时,系统与环境同时存在线性与非线性耦合的纳米小球的动力学,解决了系统与环境存在非线性耦合的物理问题,给出了主方程,并讨论了这类系统中非线性耦合对非马尔可夫性的影响,发现非线性耦合提高了非马性。在信号传感方面,我们研究了光力系统在微波探测中的应用。考虑了振子与非马尔可夫库耦合下的微波信号探测。通过对比分析不同的环境谱,我们发现超欧姆谱能改变振子有效频率,提高光力微波探测的灵敏度。最后,我们提出了一个利用光力系统实现远程弱信号的探测方案,耦合腔列用于传输光场,其作用等价于传感腔与探测腔之间共享的结构库。我们给出了强非马尔可夫情况下束缚态出现的条件,从而可以有效的提高线性化的光力耦合强度,实现无损耗的信号远程传输,有效提高远程探测的灵敏度。这些研究对于光力系统作为量子信号处理的量子器件,具有理论意义,为相关实验研究提供依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号
• 1 绪论
•   1.1 从经典到量子
•   1.2 量子信息与量子路由
•   1.3 开放量子系统
•   1.4 光力系统
•     1.4.1 光力系统的实验实现
•     1.4.2 非马尔可夫光力系统
•   1.5 本文内容安排
• 2 基础理论和研究方法
•   2.1 电磁场的量子化
•     2.1.1 电磁场的正交分量
•   2.2 光场的量子态
•   2.3 光场探测与量子关联函数
•     2.3.1 光子探测
•     2.3.2 关联函数
•     2.3.3 光子聚束与反聚束
•     2.3.4 零差探测
•   2.4 开放量子系统
•     2.4.1 开放量子系统模型哈密顿量
•     2.4.2 开放量子系统的主方程
•     2.4.3 海森堡-朗之万方程
•   2.5 量子噪声
•   2.6 光力系统
•     2.6.1 辐射压力
•     2.6.2 光力耦合
•     2.6.3 光力系统的非线性
•     2.6.4 光力系统中的量子噪声
• 3 基于耦合腔光力系统的单光子多端口量子路由器
•   3.1 引言
•   3.2 模型与哈密顿量
•   3.3 光子阻塞
•   3.4 单光子路由器
•   3.5 本章小结
• 4 两个与非马尔可夫环境非线性耦合的悬浮纳米小球的动力学
•   4.1 引言
•   4.2 模型与哈密顿量
•   4.3 环境诱导的悬浮粒子压缩
•   4.4 纠缠与态交换
•   4.5 非马尔可夫度量
•   4.6 本章小结
• 5 利用非马尔可夫效应提高光力系统弱微波信号探测的灵敏度
•   5.1 引言
•   5.2 模型与系统演化
•   5.3 直接探测的噪声与输出谱
•   5.4 零差探测
•   5.5 本章小结
• 6 基于光力束缚态的远程弱信号探测
•   6.1 引言
•   6.2 模型与哈密顿量
•     6.2.1 负有效质量机械振子
•     6.2.2 系统哈密顿量
•   6.3 有效非马尔可夫库与束缚态
•   6.4 弱信号探测的灵敏度
•   6.5 本章小结
• 7 总结与展望
•   7.1 总结
•   7.2 创新点
•   7.3 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间科研项目及科研成果
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 李逊

导师: 周玲

关键词: 光力系统,量子探测,开放量子系统,量子路由器

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 大连理工大学

分类号: O431.2

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.004318

总页数: 120

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