拓展的腔QED系统中的可控动力学及量子相变

发布时间：2020-08-02 04:39

【摘要】：光与物质的相互作用理论及其应用的研究一直是物理、材料、信息等学科的前沿研究问题。其中,腔量子电动力学(Quantum electrodynamics,简称QED)是研究受限量子比特(原子、分子、人造原子等)与光学共振腔(或者微波腔)中量子化电磁场之间的相互作用的理论。近年来,随着微纳技术的发展,腔QED系统可以进入强耦合(原子-场耦合强度大于系统的衰减率),甚至超强耦合(原子-场耦合强度接近系统的本征频率)机制,并展现出许多新物理现象。例如,强耦合机制下的真空Rabi劈裂,相干布局转换、量子纠缠以及超强耦合机制下的量子相变,基态兼并,量子真空辐射等。基于上述效应,腔量子电动力学的研究不仅对于量子力学的发展、基本物理问题的理解以及新奇量子多体效应探索有着重要的研究意义,而且有助于推动光子、原子相干操控、量子模拟以及量子精密测量等高新技术的发展。虽然腔QED的研究已经成为量子物理以及信息学科的重要研究课题,依然存在很多问题需要解决,比如超强耦合机制下可控动力学的实现、腔QED系统中基态超辐射量子相变的存在依然有争议等。针对上述问题,博士期间我们通过结合量子比特的非简谐性以及光力相互作用,提出了如何在拓展腔QED系统中实现可控动力学以及量子相变的理论方法,本文主要内容包括以下几个部分:1.通过研究腔QED系统中量子比特的弱非简谐性对系统动力学的影响,提出超强耦合机制下实现可控动力学的理论方法。研究结果表明:在考虑了量子比特的弱非简谐性的拓展的腔QED系统中,短脉冲可以通过改变系统瞬时本征态的交换对称性来实现超强耦合机制下的可开关的动力学演化。这为超强耦合机制下的量子信息处理(比如超快量子门操作)提供了理论指导。2.我们研究了量子比特的弱非简谐性对耦合腔QED系统中超流-Mott绝缘相变的影响,展示了平均场近似下系统的基态相图。研究结果表明:量子比特的非简谐性可以极大影响Mott绝缘相的分布区域。当非简性为零时,单激发Mott绝缘区域消失。这为在具有弱非简谐性的超导电路中执行量子模拟提供了理论基础。3.我们将光力耦合引入Dicke和Rabi模型描述的腔QED系统中,研究了拓展系统中的超辐射量子相变和声子统计特性,发现单光子触发超辐射量子相变和声子阻塞现象。并且指出这里的量子相变不受腔QED系统中A~2项限制,突破了传统超辐射相变理论中的No-go理论的限制。研究成果将启发新型单光子探测技术以及相关单光子器件的研发。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O413;O572.31

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