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量子力学是现代物理学的基础和核心.但是,从量子力学诞生之日起,就围绕它的基本概念和物理图像的解释,展开了一场广泛而深刻的激烈争论,至今尚未平息.这些进展使关于量子力学的基础得以研究,现已成为当今物理学中非常活跃的热门课题.这些进展的重要意义是,不仅使人们对量子力学本身的理解进一步深化了,而且对人们的思想观念和思维方法将产生深远影响.
在20世纪末,量子力学拓展了新的领域一量子信息,其中量子纠缠是关键.量子力学的新发展是围绕着量子纠缠态进行的,纠缠态对人们认识量子力学的基本概念起着重要的作用,随着量子信息科学这一新兴领域的蓬勃发展,量子纠缠态逐渐登上了量子信息领域的舞台并确立了其优势地位.量子纠缠态作为量子通信和量子计算的载体,广泛的被用于量子隐形传态、量子密钥分发、量子密集编码、量子计算等领域.研究量子纠缠不仅对理解量子力学的基本概念有重要的意义,而且在量子信息学中的一些前沿领域有很高的应用价值,是目前人们研究的热点问题之一.
量子光学是研究光场的量子统计特性以及采用全量子理论来研究光与物质相互作用的学科[1].原子与光场的相互作用是量子光学中一个十分活跃的研究课题.量子纠缠的存在意味着存在新的相互作用的形式.本文利用全量子理论,研究了Tavis-Cummings模型(T-C模型)中[2]的两纠缠原子与二项式光场相互作用系统的量子纠缠特性.主要内容包括以下几个方面:
(1)简单描述了量子纠缠理论和纠缠度理论,并介绍了二项式光场.
(2)研究了多光子Tavis-Cumming模型中两纠缠原子与二项式光场的纠缠演化特性,讨论了不同初始状态下二项式光场系数、原子的偶极-偶极相互作用对纠缠演化特性的影响.计算结果表明:二项式光场系数可以影响两原子间纠缠演化的周期性.在5nπ(n=0,1,2,…)以外的其它nπ值附近的值域内出现纠缠现象.随着光场系数η的增大,出现纠缠现象的时域范围逐渐增加,两原子间的退纠缠时间缩短,原子间的偶极-偶极相互作用可对纠缠度的振荡和纠缠度的大小产生影响.
(3)研究了多光子Tavis-Cummings模型中运动原子与二项式光场相互作用系统的量子纠缠特性,讨论了不同初始状态下的二项式光场系数和原子运动速度对纠缠特性的影响.结果表明:二项式光场系数不影响场熵演化的周期性,但影响场熵峰值大小.随着原子跃迁光子数的增多,场熵演化的周期性和消纠缠现象逐渐消失.原子运动的速度影响场熵的演化周期,且影响场熵峰值的大小,而原子跃迁光子数的增大,会消弱原子运动速度对场熵演化的影响.当光场处于中间态,原子运动速度较低,且原子跃迁光子数较大时,光场与原子可以长久地处于量子纠缠态.
(4)研究了Tavis-Cumming模型(T-C模型)中运动原子与二项式光场相互作用的原子纠缠演化,计算结果表明:两个运动原子之间的纠缠呈现出周期性的演化特性,不同初始状态下二项式光场系数、原子运动速度对原子间的纠缠演化有着显著的影响.二项式光场系数影响原子间的纠缠度大小、振荡频率以及消纠缠所占的时域,但不影响纠缠演化的周期.而当光场处于中间态,原子运动速度影响原子间振荡频率以及纠缠演化的周期,原子运动速度每增加1倍,纠缠演化的周期就减小到原来的2倍.但原子运动速度不影响纠缠度平均值大小.