二能级系统在量子电池中的应用

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光与物质的相互作用是最基本的物理过程之一。在涉及光与物质相互作用的各类模型中,半经典Rabi模型和量子Rabi模型是两个基本且重要的模型,已经被广泛应用于各种量子系统的研究和控制中,包括核磁共振、腔量子电动力学(QED)和电路QED。半经典的Rabi模型描述的是一个量子比特与一个单模的经典场的相互作用。量子电池作为一种用于临时储存能量的小型量子机械系统,可以作为媒介将能量从产生能量处转移到能量消耗处。鉴于其可以通过利用量子效应来增强充电功率,并且与经典电池相比,所需的充电时间更短且具有更好的性能而引起人们的广泛关注。量子电池(QB)的概念最初是作为一个两级系统提出的,用来临时存储从外部场转移的能量。在量子电池中,能量存储的过程便表示将使二能级系统由低能态变成高能态,而放电过程则是将二能级系统由高能态变到低能态的过程。在量子电池中,二能级系统可作为存储能量的设备,而外部光场可作为充电器为量子电池充电。半经典Rabi模型便可以看作是量子电池系统的一种描述。最近人们对于量子电池性能的分析越来越感兴趣,并且在Dicke电池系统中,已通过理论研究证明了多量子比特相互纠缠能够提高充电功率,加快充电时间。我们考虑了由N个二能级原子组成的量子电池系统和一个作为该系统充电器的谐波场。原子之间的量子关联依赖于原子间的相互作用。对于构成QB的原子间无相互作用的情况下,QB的充电可以达到完全充满的状态,并且得到了谐波充电器的最优驱动频率的解析解。我们介绍了谐波驱动场作为能量充电器为由N个两能级原子组成的量子电池充电的动力学过程。与以往的静态充电研究相比,通过选择最佳的驱动频率,可以实现无相互作用原子的量子电池的完全充电。经过充电过程,每一个两能级原子最终都处于上能级。因此,使用谐波场作为充电场与之前的静态充电场相比,具有很大的改进。与构成QB的原子间无相互作用的情况相比,当我们考虑到了构成QB的原子之间存在排斥相互作用时,会发现有排斥相互作用的QB的充电速度更快。然而随着耦合强度的增加,具有吸引力的相互作用的QB的最佳充电周期相比于之前变长。当存在强吸引相互作用时,会发生量子相变,并且伴随着基态能量的简并。我们发现在简并态下原子的最大存储能量会从充满电荷的值下降,这表明在充电过程中无能隙态起着消极作用。这是由于基态和激发态的能级简并,而激发态不利于充电过程能量的提高。多原子间的排斥相互作用可以缩短充电周期,提高电池的完全充电效率,与原子间无相互作用的充电情况相比,具有很大的优势。当我们考虑在开放系统下的充电时,我们通过用一个包含了周围环境对于系统状态影响的动力学方程,消除外部环境演化造成的影响。我们发现对于单个原子而言,当耗散越小,驱动振幅越大的情况下,稳态可存储的能量相对较高。当考虑对多个无相互作用原子充电时,随着N的增加,会存在一个最优充电原子数。
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