[心理學(xué)]量子相干性論文：單量子體系的相干性及光子統(tǒng)計研究

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1、量子相干性論文：單量子體系的相干性及光子統(tǒng)計研究【中文摘要】光與物質(zhì)的相互作用是現(xiàn)代原子分子光物理和量子控制等的重要研究內(nèi)容。以激光、激光制冷、原子力探針掃描儀等為標(biāo)志的實驗技術(shù),以及以玻色-愛因斯坦凝聚、電磁誘導(dǎo)透明等為代表的光-物質(zhì)相干現(xiàn)象使量子力學(xué)的研究深入到了納米尺度和單量子體系,這不僅突破了系綜平均的局限,同時在理論上激發(fā)了對量子開放體系的研究。目前,諸多理論方法被發(fā)展出來,包括量子主方程(masterequation)>量子跳躍(quantumjump)、量子軌線(quantumtrajectory)、相容歷史(consistenthistory)、量子測量理論(如

2、Krausrepresentation)等。量子相干性被認(rèn)為是量子體系的關(guān)鍵性質(zhì),不同的相干性導(dǎo)致了很多新奇的量子效應(yīng),比如電子雙縫干涉、糾纏光子、量子霍爾效應(yīng)等。自發(fā)輻射誘導(dǎo)相干性是一種由自發(fā)輻射系數(shù)所導(dǎo)致的相干性,在原子相干性研究中占有重要的地位。在光-物質(zhì)體系中,光場和物質(zhì)都具有相干性,且二者具有統(tǒng)一的基礎(chǔ)。為了同時描述物質(zhì)(原子、分子、量子點等)和光場的相干性,通過引入密度矩陣所對應(yīng)的特征函數(shù),光子的量子統(tǒng)計效應(yīng)以及各高階統(tǒng)計量等就可以被描述。在本論文中,我們采用產(chǎn)生函數(shù)方法研究光與物質(zhì)的相互作用體系的相干性和光子統(tǒng)計性質(zhì)。我們討論了被廣泛研究的包括砷化鎵量子點(GaA

3、s)和銣原子(Rb)在內(nèi)的單量子體系的相干性,并討論了相關(guān)實驗驗證。在第一章,我們介紹了單量子體系相干性的和發(fā)展歷史,在單量子尺度上的精確控制已成為現(xiàn)代量子理論和量子技術(shù)的核心。我們討論了一些常見的重要的原子相干現(xiàn)象,包括量子拍、相干粒子數(shù)囚禁等；在理論上,我們簡要介紹了幾種可以用來描述光子相干性和統(tǒng)計的方法。在第二章,我們介紹了量子開放體系的理論基礎(chǔ)。我們首先討論了密度矩陣和相關(guān)的特征函數(shù)以及分布函數(shù)等的性質(zhì)。然后,我們討論了體系演化的Liouville方程、Lindblad方程、Kraus表象理論以及光-物質(zhì)相互作用體系的產(chǎn)生函數(shù)方程,并介紹了高階統(tǒng)計量。在第三章,我們集中

4、研究了自發(fā)輻射誘導(dǎo)相干(SGC)。首先,我們介紹了SGC的物理基礎(chǔ)和相關(guān),比如暗共振、自發(fā)輻射消減以及自發(fā)輻射相干的模擬方法等。然后,我們詳細(xì)討論了單量子多能級體系中的量子拍現(xiàn)象,以及V型三能級體系在脈沖激發(fā)下和超精細(xì)三能級體系在連續(xù)場驅(qū)動下的性質(zhì)。在第四章,我們研究了四能級體系中的電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象(EIT)和SGC效應(yīng)。我們介紹了EIT的相關(guān)效應(yīng),包括光速減緩、光放大、多透明窗等,以及EIT的理論基礎(chǔ),包括暗極化子和去退相干子空間(DFS)理論。然后,我們在失諧空間中分析了雙Λ型四能級體系的EIT結(jié)構(gòu)和Mandel’sQ參量所反映的光子統(tǒng)計性質(zhì)。研究表明,SGC效應(yīng)可以導(dǎo)致一

5、種真空協(xié)助透明現(xiàn)象,我們詳細(xì)分析了其動力學(xué)機制。在第五章,我們研究了N型四能級體系中的巨克爾效應(yīng)和SGC效應(yīng)。同樣,我們首先介紹了GKE的理論基礎(chǔ)和相關(guān)應(yīng)用,諸如量子邏輯門、光學(xué)開關(guān)等。然后,我們討論了外加控制場和開關(guān)場對非線性克爾吸收和AT(Autler-Townes)分裂的控制。我們發(fā)現(xiàn),SGC效應(yīng)可以導(dǎo)致非線性克爾吸收的消失,這說明體系中暗態(tài)可以被SGC所恢復(fù)。另外,我們還討論了光學(xué)開關(guān)過程中對應(yīng)的光子反聚束效應(yīng)。在第六章,我們給出簡要的總結(jié)和展望。在展望中,我們主要討論了SGC效應(yīng)在最近的一些發(fā)展、糾纏光子對的統(tǒng)計性質(zhì)、不同能級結(jié)構(gòu)中的原子相干性以及產(chǎn)生函數(shù)方法的應(yīng)用與

6、推廣。在第七章附錄中,我們介紹了所用到的銣原子的能級結(jié)構(gòu),以及對主方程的檢驗規(guī)則?！居⑽恼縏helight-matterinteractionisoneofthecentraltopicsofmodernatomic,molecular,andopticalphysics(AMO)andquantumcontrol.Theexperimentaltechnologyaslaser,lasercooling,andatomicforceprobescanneretc,aswellasthequantuminterferencephenomenonlikeBose-Einste

7、incondensate(BEC)andelectromagneticallyinducedtransparency(EIT)etcgreatlyimprovedtheQuan-tumMechanicstothenano-scaleandsinglequantumsystem,whichbroughtupnewtheoreticalresearchtrendsbydisregardingformermethodsliketheensemble-averaging.Atpresent,thet