發(fā)布時(shí)間：2020-11-11 05:57

　　 隨著量子計(jì)算和量子信息技術(shù)的發(fā)展,越來(lái)越多的人開(kāi)始關(guān)注對(duì)微觀量子態(tài)的操作和調(diào)控問(wèn)題。光子作為電磁場(chǎng)量子化的能量實(shí)體,與電磁環(huán)境沒(méi)有直接的相互作用,已經(jīng)成為量子信息載體的理想候選者。相比于其它有質(zhì)量的微觀粒子,光子在應(yīng)用上具有速度快、容量大、抗干擾能力強(qiáng)和保密性好等優(yōu)點(diǎn)。近些年,通過(guò)利用光子與物質(zhì)之間的有效相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光子態(tài)的操控已經(jīng)成為量子物理中的重要發(fā)展方向。研究表明,將量子發(fā)射器放入到受限空間中,光子與發(fā)射器之間的相互作用可以明顯地增加,由此發(fā)展而來(lái)的腔電動(dòng)力學(xué)和波導(dǎo)電動(dòng)力學(xué)現(xiàn)在已經(jīng)變成了量子光學(xué)中的兩個(gè)重要分支。在波導(dǎo)電動(dòng)力學(xué)中,光子可以沿著波導(dǎo)進(jìn)行傳播,根據(jù)量子力學(xué)原理,在波導(dǎo)中的光子會(huì)發(fā)生退相干現(xiàn)象。目前實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多種不同類型的高品質(zhì)波導(dǎo),例如光子晶體波導(dǎo)、超導(dǎo)傳輸線波導(dǎo)、納米光纖、表面等離子體波導(dǎo)等,這為光子的長(zhǎng)距離傳輸提供了良好的平臺(tái)。在這些不同類型的波導(dǎo)系統(tǒng)中,耦合腔陣列波導(dǎo)由于其豐富的物理現(xiàn)象和能譜結(jié)構(gòu)逐漸引起了人們的廣泛關(guān)注。對(duì)耦合腔陣列系統(tǒng)中的光開(kāi)關(guān)效應(yīng)、動(dòng)力學(xué)問(wèn)題、束縛態(tài)問(wèn)題、相干的量子輸運(yùn)問(wèn)題等的研究不僅能夠幫助人們了解和掌握這個(gè)系統(tǒng)中的量子性質(zhì),還能夠幫助設(shè)計(jì)出在量子信息處理中所需要的量子器件和量子網(wǎng)絡(luò)。在第一章中,我們簡(jiǎn)單介紹了光子的量子化發(fā)展過(guò)程和光子在受限波導(dǎo)中與量子發(fā)射器發(fā)生耦合的發(fā)展?fàn)顩r以及該系統(tǒng)的物理實(shí)現(xiàn)。在第二章中,我們研究了耦合腔波導(dǎo)與二能級(jí)量子發(fā)射器耦合的系統(tǒng),分析了一維和二維耦合腔陣列中單光子態(tài)的相干輸運(yùn)問(wèn)題。在第三章中,我們研究了一維耦合腔波導(dǎo)與三能級(jí)量子發(fā)射器耦合的系統(tǒng),對(duì)其中的束縛態(tài)和自發(fā)輻射問(wèn)題進(jìn)行了計(jì)算和討論。在第四章中,我們研究了一維耦合腔波導(dǎo)與量子發(fā)射器系綜相耦合的系統(tǒng),對(duì)其中的能級(jí)結(jié)構(gòu)和單光子集體性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了分析和討論。在第五章中,我們分析了一般玻色場(chǎng)與原子集合耦合的系統(tǒng),對(duì)其中的束縛態(tài)和dark態(tài)在單光子集體性動(dòng)力學(xué)中引起的囚禁效應(yīng)進(jìn)行了分析和討論。在最后一章中,我們對(duì)全文的內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié),并且對(duì)接下來(lái)可能的工作做出一些展望。
【學(xué)位單位】：中國(guó)工程物理研究院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：O413
【部分圖文】：

?第１章引言???ｙ?Ａｔｏｍｉｃ??Ｌａｓｅｒ?ｕ?ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ??＼?？?Ａｔｏｍ?ｉｎ?ｏｐｔｉｃａｌ?＼??ｍ?？?ｃｏｎｖｅｙｅｒ??Ａｔｏｍｉｃ?＼?Ｊ?Ｃａｖｉｔｙ?ｍｉｒｒｏｒ??１?ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ??圖１．１真空測(cè)量中的腔ＱＥＤ示意圖Ｍｌ。??射被光腔所抑制的行為。１９９２年，同樣是在Ｃｓ原子中，Ｔｈｏｍｐｓｏｎ等人觀測(cè)到表現(xiàn)出強(qiáng)??耦合機(jī)制的真空Ｒａｂｉ劈裂現(xiàn)象Ｗ。??除了將量子發(fā)生器放入受限的腔中可以提高光子與發(fā)射器的耦合強(qiáng)度外，越來(lái)??越多的人開(kāi)始關(guān)注量子發(fā)射器與波導(dǎo)中的耦合，即波導(dǎo)ＱＥＤ，波導(dǎo)ＱＥＤ是實(shí)現(xiàn)最丫？網(wǎng)??絡(luò)的最理想方案。由于在波導(dǎo)中光子的分布空間受到波導(dǎo)壁的限制，發(fā)射器與光子??的耦合強(qiáng)度也會(huì)明顯地高于在真空中的耦合強(qiáng)度。此外，由于空間維度的減少，波導(dǎo)??中光子之間的千涉效應(yīng)會(huì)明顯地增加，很多非線性光學(xué)現(xiàn)象都能夠在波導(dǎo)中被觀察??到ｎｓ－ｍ。與腔ＱＥＤ相比，波導(dǎo)ＱＥＤ存在明顯的＋同，在腔ＱＥＤ中，共振腔內(nèi)只能存在??特定頻率的光子，光子的頻率帶寬非常的窄，這限制了光子與量子發(fā)射器的耦合效??率。而在波導(dǎo)ＱＥＤ屮，光子的頻率＂Ｊ■以不固定。在波導(dǎo)的端ＩＩ處，光ｆ態(tài)可以很容易??地被耦合進(jìn)入波導(dǎo)或者從波導(dǎo)中被放出，光子進(jìn)出波導(dǎo)的效率高于光子進(jìn)入其它模式??的效率。目前，常見(jiàn)的波導(dǎo)平臺(tái)有光子晶體１１８＿２１１，超導(dǎo)傳輸線ｌ２２￣Ｍ，納米纖維１２Ｗ７］，??表明等離子體［２Ｓ＿３２］，電介質(zhì)［３３３４］，鉆石結(jié)構(gòu)［３５，３６］，耦合腔系統(tǒng)［３７］等等。不同的波導(dǎo)??具有不同的色散關(guān)系，光子在波導(dǎo)中的轉(zhuǎn)播速度由光子的頻率對(duì)應(yīng)的群速度決定，光??ｆ具

?第１章引言???圖１．２光子晶體波導(dǎo)示意圖？。??在》７尤量級(jí)的溫度下工作，其傳播的光子頻率一般在微波范圍。當(dāng)環(huán)境溫度下降到超??導(dǎo)體的臨界溫度以下時(shí)，超導(dǎo)體中的電子兩兩配對(duì)形成庫(kù)伯對(duì)實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)狀態(tài)，在超導(dǎo)??態(tài)與正常態(tài)之間存在超導(dǎo)能隙。因?yàn)槌瑢?dǎo)能隙的存在，當(dāng)光子的頻率小于能隙的間隔??時(shí)，光子可以很好的被限制在超導(dǎo)傳輸線內(nèi)活動(dòng)。在這樣的波導(dǎo)中，光子可以與超導(dǎo)??量子電路之間實(shí)現(xiàn)很強(qiáng)的耦合作用，許多在傳統(tǒng)的腔Ｑｒｏ系統(tǒng)中很難見(jiàn)到的高階扉：子??效應(yīng)都可以在這樣的系統(tǒng)中被觀察到。例如，巨克爾效應(yīng)、多光子過(guò)程和單原子誘導(dǎo)??的微波光子雙穩(wěn)態(tài)。２０１０年，Ａｓｔａｆｉｅｖ等人將一個(gè)超導(dǎo)磁通量子比特耦合到一個(gè)開(kāi)微波??傳輸線上１２２１，不僅成功地觀察到了Ｍｏｌｌｏｗ三重態(tài)現(xiàn)象，而且還看到了原子的共振反??射現(xiàn)象。當(dāng)功率可變的相干探測(cè)信號(hào)通過(guò)傳輸線傳播到超導(dǎo)量子比特時(shí)，超導(dǎo)量子比??特被探測(cè)信號(hào)激發(fā)，然后往傳輸線的兩端等量地輻射光子，發(fā)射的光子與透射端的??探測(cè)信號(hào)發(fā)生相干相消，導(dǎo)致探測(cè)光子的反射。在量子比特的每一次激發(fā)到輻射的??弛豫時(shí)間范圍內(nèi)，量子比特只能與一個(gè)單光子發(fā)生能量交換。文獻(xiàn)１２２１通過(guò)掃描不同??頻率的探測(cè)信號(hào)進(jìn)入傳輸線，觀察到了高達(dá)９４％的透射光消光系數(shù)（ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ?ｏｆ?ｔｈｅ??ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ），這遠(yuǎn)高于三維自由空間中通過(guò)聚焦透鏡到達(dá)的７％－丨２％［７７－８１］。不久之??后，２０１１年，Ｈｏｉ等人將超導(dǎo)傳輸子量子比特耦合到超導(dǎo)傳輸線上，實(shí)現(xiàn)了９９．６％的透??射光消光系數(shù)［２３］。??１．３．２．３表面等離子體波導(dǎo)??表面等離７體波導(dǎo)是借助兩種介質(zhì)分界面處形成的等離子體傳播光子

?第１章引言???圖１．３超導(dǎo)傳輸線與超導(dǎo)量子比特耦合裝置圖及其等效電路１７２］。??于分界面方向，光子的振幅隨著距離的增加呈指數(shù)衰減。兩種介質(zhì)通常由金屬和電介??質(zhì)組成，在兩種介質(zhì)的分界面處，光子可以與自由電子發(fā)生相互作用形成一種集體振??蕩形式的激發(fā)，這種復(fù)合形式的激發(fā)稱為表面等離子激元（Ｓｕｒｆａｃｅ?ｐｌａｓｍｏｎｐｏｌａｒｉｔｏｎ，??ＳＰＰ）。光子以等離子激元的形式在表面等離子體波導(dǎo)中進(jìn)行傳播。ＳＰＰ模有幾個(gè)明顯??的特點(diǎn)：（１）?ＳＰＰ模在介質(zhì)的分界面處呈現(xiàn)高度的局域化，在金屬表面的分布比在電介??質(zhì)表面的分布更集中，其分布深度與光子的波長(zhǎng)處于相同的量級(jí)。（２）?ＳＰＰ模在介質(zhì)??表面進(jìn)行傳播時(shí)，由于損耗的存在，會(huì)發(fā)生衰減現(xiàn)象。（３）波導(dǎo)中的ＳＰＰ模的波矢比具??有相同頻率的自由光子的波矢更大，ｇ卩ＳＰＰ模的波長(zhǎng)比具有相同頻率的自由光子的波??長(zhǎng)更短。圖１．４給出了等離子激元在金屬／電介質(zhì)表面的分布情況。由于光子場(chǎng)被高度地??局域在介質(zhì)的分界面處，這使得光子能夠像在其它波導(dǎo)中一樣在表面等離子體波導(dǎo)中??進(jìn)行傳播。近些年，在表面等離子體波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)與量子發(fā)射器的強(qiáng)耦合效應(yīng)引起了人??們的廣泛關(guān)注。局域光子的界面通常在納米尺度，就空間尺度上來(lái)講，表面等離子體??波導(dǎo)與其它微米級(jí)的波導(dǎo)系統(tǒng)相比更容易實(shí)現(xiàn)與量子發(fā)射器的強(qiáng)耦合［８２］。目前，己經(jīng)??在等離子體波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)強(qiáng)耦合的量子發(fā)射器有Ｊ－聚集體（Ｊ－ａｇｇｒｅｇａｔｅｓ）?［８３＿９（＾染料分??子叫－９３］和量子點(diǎn)由于ｓｐｐ模在波導(dǎo)中傳播存在損耗現(xiàn)象，因此與其它光學(xué)波導(dǎo)??系統(tǒng)相比，在等離子體波導(dǎo)中由強(qiáng)耦合實(shí)現(xiàn)的復(fù)合模的壽命更加的短。在退相干發(fā)生??之前
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