应用电磁感应透明腔对量子涨落的相干控制

《激光原理》期中论文翻译姓名：姜西瑶学号：2012213884班级：2012级物师三班电磁感应透明腔对量子涨落的相干控制我们研究一束通过单原子量子电动力学腔（以下简称CQED）和电磁感应透明腔（以下简称EIT）光束在量子涨落下的全光控制。其中EIT控制场用来调谐CQED的跃迁频率，使其在光探针的共振频率左右波动。这样，光子的封锁和抗封锁影响分别被用来产生亚泊松及超泊松光场。可操作的量子控制为一种新型量子晶体管模型的实现打下基础，这种晶体管可以用来放大或减弱一束光的相对噪声强度，通过对近期实验的真实的相关数据进行计算，它的可行性也被证实。量子工程致力于发展新的观念和工具来进行对量子现象，尤其是在最基本的单个粒子水平方面的控制性应用。在光学物理领域，量子电动力学腔（CQED）为单个光子和物质的相互作用设定了理想的环境。事实上，通过单个和高精度空腔紧密耦合的发射器所产生的光学的非线性（分布）可以实现从量子相干网络到量子仿真之类的新任务。实现交换量子网络节点的量子态和产生连续的光子流的过程（这两个过程则可以反映模拟量子系统稳定状态下的粒子分布）则需要对真实的量子系统的更强力的控制能力。这里，我们通过一个限制在高精度空腔的三维原子证明，对一个通过电磁感应透明腔和量子电动力学腔的光子封锁的光探针的量子涨落进行光学控制是可实现的。利用原子-空腔系统的非和谐能级结构，一束（向内）入射的激光可以被控制性转变为外向的广场，并伴随光子数目在散粒噪声水平附近的涨落，这种控制取决于对激光控制参数的设定。我们的系统可以说是又向量子晶体管迈进了一步，与经典的晶体管对平均强度的控制相比，量子晶体管可以实现对光场的相对噪声强度的放大或减弱。这种意义上的晶体管把众所周知的传统晶体管的定义延伸到了量子领域，根据不可克隆原理，在这个领域中，无条件地放大是被禁止的。我们考虑一个被限制在装置中的具有三个能级的原子与一个来自高精度共振器的单一频率波模紧密耦合。这个空腔被一个强度为，频率为P的相干场（探针）所驱动。13跃迁的原子与2g真空拉比频率的腔模耦合，13跃迁的原子与静电场（控制）的C频率和2C拉比频率的腔模耦合。引入电偶极子和旋波近似，描述原子场耦合的与时间相独立的哈密顿函数可以由如下形式给出：†1331222113132H..CHaaagac这里a，†a分别为光子湮灭和产生算符，ijij，,1,2,3ij在ij时为原子的升降算符，在ij是为原子能级粒子数算符。失谐（情况）取决于CavP，131Cav，232C。系统的动力学性质通过求解原子腔的密度主方程获得：†††33333331,2,22mmmmiHaaaaaa这里是腔内场的衰减速率，31、32分别为从激发态3到1、2能级的极化衰减速率。我们根据参考系中的探针强度来截断腔肠的福克基矢，以此来求解稳定态下的。我们研究强耦合状态下的体系，我们用一个探针对它进行控制，探针的能量为1.0，足够填充与多光子转换相关的能级。图一(a)：噪声控制量子晶体管原型。(b)：置于装置中的三能级原子表明，对于所有的相关失谐腔场（Cav）和控制场（C）分别和13、23转换过程耦合，还有所有的相关失谐。(c)：用参数311350,1,0.2g将透射光谱（在对数尺度上）和二能级量子电动力学系统的标准化探针腔失谐/相对照。对三能级系统而言，所用参数为：50g，1，0.1ij，40C，左边和右边的插图分别表示二能级和三能级结构的原子腔本征态，分别伴随ngng和22effnCgng。A、B、C、D表示单光子转换，E表示双光子转换。在我们开始展示如何用相干修改探针的光子统计之前，有必要强调一下电子感应透明腔和二能级的量子电动力学腔结构的区别。考虑理想腔和控制场共振[120见图一()b]我们计算了两种情况的相对透射谱。对于腔量子电动力学系统[见图一(c)左部分的红色实线]我们观察到显著的真空拉比分裂并伴随较小失谐的侧峰，这与双光子在两个不同的Jaynes-Gumming流形中的转换0,2,g相一致。所有的转换因为能级的不均匀分裂2nnEEng，1,2,...n而以不同的频率发生。这时，电磁感应透明的存在就产生一个类AutlerTownes的影响，使得态3分裂为两个对称的态23/2上，并便随C的能量转移并结合到基态1上。用新基矢1,,改写电磁感应透明腔的哈密顿方程，对于0的，屈服于以下本征态：(0)01,,1,11nnNnnna()1,,1,11nnNnnnb其中/2/,/2/,/2/CnCnCgngnEgnE和0,nN为归一化因子。本征值00nE的本征态(0),0,1,2,...nn（或者它的任意组合）为电磁感应透明腔系统的腔内暗态，产生一个类空腔传输。此外，本征值为22nCEng的缀加态()n表示电磁感应透明腔原子腔系统——分担n个激发。类似于量子电动力学系统，它们组成一个阶梯结构，并伴随能级分裂2effnnnEEg222Cng[见图一(c)的右部分]。这些新的缀加态可以通过调整探针腔失谐22/nCngn处理。在图一(c)中（蓝色实线）所示，我们利用与二能级结构及40C相同的一套参数表明了腔平均传输下新能级结构的原因。我们将对应于1的转移空间的拉比分裂和对应于第一个多光子转移过程002的二次共鸣相区分。另外，我们在被称为腔内暗态6,17,18的零失谐点处发现了一个狭窄的透射窗口。我们注意到，电磁感应透明腔下第一峰和第二峰的频率差11,和22,总是比量子电动力学腔的要大，因为对任意的0C总有22221211/22/2CCggng图二()a：(2)(0)g相关与50g，1，0.2的量子电动力学腔和g、相同，31320.1，40c的电磁感应透明腔下标准化探针——腔转换对照()b：对于电磁感应透明腔0的本征态1,2的分布和0的本征态1,2的分布，以及对应的暗态01,2的分布。图三()a：(2)(0)g相关与一套相同参数设置、不同探针——腔失谐的电磁感应透明腔系统下控制场的标准化拉比频率/c相对照()b：85时电磁感应透明腔本征态1,2的分布和对应的暗态01,2的分布。垂直的虚线将(2)(0)g相关与相关本征态的分布联系起来。为了描述所研究体系的量子性质，我们现在计算同时条件下光子与光子间的相关性，在稳态0下，我们计算原子腔体系的密度算符得出22†††0/gaaaaaa。在图二()a中，我们比较了作为标准化探针腔失谐的函数的/在量子电动力学腔和电磁感应透明腔情况下的相关性。电磁感应透明腔下20g的极小值与转移A(1)，A(3)（单光子）和E(1)，E(3)（双光子）[见图一(c)右部分]有关，这与我们在透射光谱中的发现类似。这种相关性同样显示出其他转换的鲜明特征。例如，极大值与单光子转换C(1)，C(3)，B(1)，D(2)和多光子转换003相关。[见图二(a)中标记星号的地方]。电磁感应透明腔还有其他关键方面，即在0时的相干场201g[见图二a中水平虚线，图三(a)和图四]，还有在80附近的光子束。这与强光束行为和量子电动力学腔内各失谐相干场形成鲜明对比。20g的这种行为与本征态总频谱曲线的极大值相关[见图二(b)中垂直虚线部分]。一个显著的特点是最大可实现光子反聚束（光子阻塞）的提高，这是由于和量子电动力学腔相比，电磁感应透明腔系统的第一峰和第二峰的具有更大的频率差，因而减小了激发第二种流形的可能性。至此，我们已经证实通过改变输入场的频率可以调整向外场的光子统计。为了设计一个量子控制装置，这种可能性由外部控制场提供。如图三所示，绘制了不同探针腔失谐/C下控制场的标准化拉比频率的20g相关。从电磁感应透明腔的能级结构[图一(c)右部分]可以看到，改变控制场的拉比频率会改变过渡共振的频率。当保证为常数时，我们探测到区域内的亚泊松201g和超泊松201g光束。据我们所知，这是光子统计的光学控制第一次被预测，而这又是强耦合单原子电磁感应透明腔所提供的结果。与图二a中的分析相似，对于每种失谐第一个（最左边）超泊松峰（见图三a）都与附近区域内的第二暗态02和多光子态2的分布有关——对应于如图三b中所描绘的85时的C(3)转换。（见垂直虚线部分）当转换A(3)被探针场共振驱动，导致亚泊松光束由于单光子阻塞而产生时，若进一步增加C，20g的第一个也是最显著的极小值会被获得。一旦这种共振环境被扰乱导致C增大，一个超泊松场会被产生。我们强调：对比前面所讨论的第一个超泊松峰，在本征态分布中没有发现极大值。当控制拉比频率增加到150C时相似的情景也会发生。当200.2g时一个显著的亚泊松极小被发现，并且本征态分布中没有极小值。当C稍微增加使双光子转换被共振驱动时情况就有所不同了，如态2在155C（对于85）时的分布区域极大值所表现的那样。但是同单光子共振A(3)001所发生的情况相反，我们现在发现了超泊松统计。从亚泊松到超泊松统计的变化发生在一个非常小的控制场范围，即85在150C和155C之间。这表明唯一的转换可能由控制场左右。注意如果只有爽光子转换被允许，则光会显示亚泊松统计。我们做观察到的双光子共振超泊松统计是由于系统中同时存在单光子激发和退激发转场所致。我们系统的另外一个显著的特征就是存在一个独立于C的非常大的201g的区域。这个托盘状区域的宽度可以通过增加探针腔转换来扩展，但这样会导致亚泊松分布不如之前显著。图四(2)(0)g相关与不同探针——腔失谐、一套相同的实际参数（8g，1，31321）设置下电磁感应透明腔系统控制场的标准化拉比频率/c相对照在目前为止所有讨论的情况中，真正的强光与物质耦合被假定为亚泊松场的成果。如前面所示，电磁感应透明腔的引入放松了约束。事实上，我们利用近期的量子电动力学腔实验所得的数据,,/212,1.5,1.5MHzijg（如图四）进行的计算表明，获得类似于如图三(a)所示的光学控制是可能的。这表明了用目前可用技术构建所需量子装置对的可能性。总的来说，我们研究了一个基于电磁感应透明和量子电动力学腔的准确结合而建立的新的量子体系。我们展示了光子——光子相关特性，比（光子）传送有更多结构，这提供了对体系更深一层的洞悉。并且，我们的体系对光束的量子涨落进行光学控制的能力，为实现可增强和减弱相对量子噪声的量子晶体管迈出重要一步。一些应用是可以被预见的，例如，我们的电磁感应透明腔体系由于能够持续产生光子，可以被综合应用到相连的原子腔体系网络中，来实现控制光的相变达到类莫特绝缘光子态的目的。更深远的途径包括把我们的分析延伸到保证探针和控制场均为量子化的装置中，这样就可以用单光子提供光学控制——就像一个场做的门那样。这或许会使通过单原子控制光子间相互作用的光量子门的实现成为可能。姓名：姜西瑶学号：2012213884