腔内自发反馈与集合耗散效应的研究

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随着量子光学的发展,人们发现了许多与经典框架下完全不同的效应。它们的出现极大的推动着当今科技的进步。量子通信、量子计算、精确测量等领域已经成为大家追逐的焦点。而作为这些领域共同的理论基础之一,压缩和纠缠自然的得到了广泛的关注和深入的研究。由于压缩和纠缠态的优异特性以及广泛应用,人们提出了许多基于相干演化的方式来制备压缩和纠缠态。但是,由于相干演化对环境库的耗散或是退相干等在实际实验中存在的干扰十分敏感,所制备的压缩和纠缠态非常容易被破坏,其存在时间远远比腔的本征时间小。近年来,人们提出了基于Bogoliubov模耗散来制备压缩和纠缠。一般来说,耗散在系统建立关联的过程中是起负面作用的。因此人们希望尽可能减弱或消除耗散对系统的作用。但是这里所利用的Bogoliubov模耗散与其他的耗散机制不同,当Bogoliubov模被人工库耗散至真空态时,作为其组成部分的两个个体就会进入压缩和纠缠态。其最根本的机制还是Bogoliubov模耗散在一个吸收系统中建立了双光子过程。然而,利用该机制实现压缩纠缠是否还需要系统中本身存在的长寿命相干还犹未可知。另一方面,如何控制在系统演化过程中由真空库诱导的自发辐射也是我们需要关注的一个重点。荧光谱线的窄化与增强可以显著提升基于荧光的精密测量的精度和效率。通常情况下,人们可以通过改变原子所处环境或是利用额外的相干相互作用来改变自发辐射的性质。之前的研究工作主要集中在使用双相干机制来控制原子荧光谱的线宽。但这种机制首先需要极高的实验条件,其次它会使得相应频率上的荧光强度急剧减小,很难在实际应用中实现并加以利用。因此,目前还没有提出一个容易实现的使荧光谱线窄化且同时增强的方案。这也同时严重制约了基于荧光的高精度测量的精度和效率。论文的创新工作包括以下几个方面:  一、阐明了阈值以下原子-腔系统中的自发反馈效应是导致荧光谱中出现极窄极高锐线的直接物理机制。所得到的荧光锐线可以显著的提升基于原子荧光进行的高精度测量的测量精度和测量效率,并且利用该机制得到锐线所需的实验条件相较“双相干机制”明显降低。我们将其推广到了多种不同的原子-腔系统之中,在满足一定条件时均可得到荧光锐线。文中详细地给出了在各种系统中参数应满足的条件,以及所获得荧光锐线的性质及限制和相互之间的比较。我们从最基本的二能级裸态原子与腔场耦合系统入手,发现原子产生的荧光光子会被腔场所吸收,然后产生的腔场会反过来耦合原子。在接近激光阈值并保持在阈值以下的区域内,原子的等效衰减速率会急剧减小。在这种情形下,由于系统中的布居并没有被额外的相干效应所囚禁,原子的荧光谱在衰减率变得极小时就会出现极窄极高的荧光锐线。这种机制等价于利用原子自发辐射产生的荧光光子作为其自身的控制源,因此我们将其称之为自发反馈机制。接着我们将这种机制推广到缀饰原子系统中。在缀饰二能级原子系统中,自发反馈机制会出现在拉比边带上,使得一对拉比边带产生极窄极高的荧光锐线。同样的现象也出现在三能级缀饰原子系统中。最后我们简单讨论了在分子系统中的可行性。  二、利用人工库的耗散作用在量子拍系统中产生原子或光场的双模压缩纠缠以及原子的激发态自旋压缩。这项研究揭示了长寿命相干对制备压缩和纠缠态并不是必须的。在长寿命相干缺失时,隐藏在由失谐引起的非线性之下耗散效应可以抑制量子拍系统中的起伏并最终导致压缩与纠缠。当系统在近共振区域时,较大的相干与失谐引起的非线性会产生很强的耗散效应使系统达到近乎理想的压缩与纠缠。我们考虑与两个腔场耦合的Ⅴ型三能级原子系综,其中两个腔场分别受到外场的驱动。腔场与原子的频率和驱动场的频率形成反对称失谐。我们发现腔场或缀饰原子在绝热条件下可以形成人工库。此时,系统中的集合缀饰原子或集合腔场的起伏会受到人工库耗散的抑制作用,使得集合缀饰原子或集合腔场的起伏达到真空态。从而使缀饰原子或腔场进入双模压缩纠缠态。当缀饰原子进入双模压缩纠缠态时,Ⅴ型三能级原子也会在一部分区域出现激发态自旋压缩。
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