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量子信息科学是计算机、信息科学与量子物理相结合而产生的新兴交叉学科,与信息网络、超导纳米等研究领域有着大量的交叉,是未来科技发展的重大方向之一。量子信息科学不仅为信息科学的发展提供新的原理和方法,同时也能使人们更深入地理解量子力学。纠缠态是量子信息赖以生存的基础,是量子信息领域的重要资源,在量子计算、量子通信、量子密码等诸多方面都有着潜在的应用。近年来,制备和操纵连续变量纠缠态及其应用已成为量子物理和信息科学的热点和前沿。因为对于连续变量纠缠态性质的研究不仅可用于对量子力学基本原理的验证,同时它也是量子信息的基本资源。此外,连续变量纠缠具有无穷多的自由度,具有更大的存储能力,并且在实验上可使用线性光学器件实现较高精度的产生和操纵。但遗憾的是,实际系统会与外部环境发生相互作用,导致量子相干性的衰减,即退相干。另一方面,随着纳米技术的发展,原子自发辐射诱导的量子相干(SGC)已经可以实现,它对于许多重要量子效应的特征有显著影响。基于此,本文研究了在腔量子电动力学体系中如何利用SGC,制备出抗干扰能力强、稳定高强度的纠缠源。具体研究内容如下:
首先,在独立原子体系中,我们提出了利用SGC在一个激光驱动的V型三能级原子体系中制备高纠缠度双模连续变量纠缠的理论方案。该方案与原子跃迁和腔模的具体耦合情况密切相关。在一定条件下,系统可以简化为一个非简并的参量放大器,正是这一非线性过程负责纠缠的产生。研究发现,最大纠缠产生的关键就是要在修饰态间产生布居反转,而这与SGC密切相关。结果表明,SGC的存在对于修饰态稳态布居分布有显著影响,可以产生一个完全布居翻转,从而非线性过程强度较大,进而使腔模稳态纠缠得到增强。接着我们研究了在SGC存在的情况下,暗态对一个激光驱动的A型三能级原子体系双模连续变量纠缠产生的影响。对于一个与光场相互作用的“暗态构型”三能级原子,其响应强烈地依赖于SGC的是否存在。当SGC最大时,暗态完全与环境退耦合,稳态密度矩阵元将由初始的取值决定。结果表明,与无暗态相比,暗态的存在将使纠缠的时间演化维持的时间更长,强度更大。同时,我们可以通过初始值、拉比频率和压缩因子等对纠缠的时间演化规律进行调制。
其次,在集合原子体系中,我们提出了利用SGC在一个V型三能级原子体系中制备和增强双模连续变量纠缠的理论方案。基于驱动原子在修饰态表象下的腔场主方程,我们详细讨论了原子的集合性和SGC效应对腔场纠缠的影响。研究发现,增强纠缠的条件就是要使两个修饰态布居差值最大。结果表明,与SGC不存在或独立原子体系相比,集合原子体系中的修饰态布居差值均显著增大。因而在一定条件下,腔场的稳态纠缠都可以得到显著增强,并在驱动场之间的相对相位△φ=π时取得最大值。此外,当SGC存在时,可利用△φ对纠缠进行方便的调控,纠缠随△φ的演变规律与SGC的强度、原子数目和原子跃迁衰减率的比值有关。