基于Dirac振子模型的量子非破坏性测量理论

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近几十年来量子精密测量领域的研究发展十分迅速,量子非破坏性测量是这一研究领域中诞生的一种规避由海森堡不确定性原理导致的量子测量反作用效应的测量方法。该方法目前已广泛应用在光和原子干涉仪,弱力和引力波探测以及压缩态的制备等研究中。本文关注相对论量子力学系统中的测量问题,设计了一个基于一维Dirac振子的量子测量模型,在理论上确定了量子非破坏性测量方法也可以在Dirac振子模型中实现。Dirac振子将狭义相对论特性与量子力学中最常用的简谐振子模型结合,是相对论性量子力学中的一个常用模型,经常用于研究量子效应和原理的相对论性拓展,在核物理、凝聚态物理和宇宙学中有广泛的应用,因此这一研究成果将有助于在相对论性物理系统中利用量子测量理论提高测量的精度。由于Dirac振子的非等距激发谱和自旋-轨道耦合等相对论效应的存在,其动力学与简谐振子有很大的不同。本文利用Foldy-Wouthuysen表象变换将其自旋-轨道耦合完全分离,并使正负能态完全封闭于自旋空间中,由此推导出了Dirac振子中可进行量子非破坏性测量的力学量的一般表达式。它们在实验室表象下是位置、动量和自旋的复杂组合,这就要求对多个物理量的复合测量,实验难度很大。但是在弱相对论和强相对论两种极限情况下,它们的数学形式将大大简化,本文中给出了这些情况下的量子非破坏性测量的实验方案。
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