腔量子电动力学与量子信息过程

本文简要介绍了实现量子信息的几种可能方案,特别是腔QED方案的背景、特点、主要困难和目前的进展,同时介绍了山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室在这方面的实验进展。

微腔与腔量子电动力学研究进展

光学微腔中原子之自发辐射与自由空间中原子的自发辐射有着重要的不同。微腔能够控制腔内原子的自发辐射,使自发辐射得到抑制或增强,并有可能使自发辐射成为一个可逆过程。由此发展起来的腔量子电动力学能够阐述腔场与原子的相互作用。本文简要介绍了这一研究领域的背景和进展,同时介绍了微腔的重要应用-无阈值激光器。

玻璃微球荧光的腔量子电动力学增强效应

报道了腔量子电动力学效应对高钡玻璃微球荧光光谱的影响，利用Ｍｉｅ散射的共振峰位计算公式，对测量的光谱进行了分析，估算了自发辐射速率的量子电动力学效应的增强因子，实验证实其增强幅度超过６７６倍．

利用腔量子电动力学方法实现压缩叠加态的量子隐形传态(英文)

利用大失谐的原子 -腔场相互作用和Bell态测量 ,提出了一个量子隐形传态方案。在这个方案中 ,两个具有相同振幅和相对位相的压缩真空态的任意相干叠加态被传送。为了实现这个方案 ,一个最大纠缠压缩真空态被用来作为量子信道。这个量子隐形传态方案成功的几率是 0 .5。

单原子脉塞和单原子激光——腔量子电动力学的实验平台(英文)

单原子脉塞和单原子激光是腔量子电动力学研究的重要实验平台。本文综述关于几类单原子脉塞和单原子激光的研究工作,包括德国Walther小组的单原子脉塞、超冷原子注入的单原子脉塞,法国Haroche小组的腔量子电动力学系统、注入原子的单原子激光、以及囚禁原子和囚禁离子的单原子激光。我们介绍相关的理论工作、实验系统、以及主要结果。

耗散腔量子电动力学系统中量子Fisher信息和量子相干性分布

基于耗散腔量子电动力学系统,研究了两量子比特间的量子Fisher信息和量子相干性受环境耗散的影响。发现量子Fisher信息在初始时刻会随着时间的演化而增大,而且经过较长相互作用时间后,两量子比特间会呈现稳态的量子Fisher信息。其次,还发现环境耗散并不会完全摧毁两量子比特间的量子相干性,当作用时间较长时,稳态量子相干性可以在两量子比特间得以存活,并且稳态量子相干性对于系统的初始参数,环境的耗散系数以及腔场的平均光子数都非常敏感。最后,借助迹距离的方法,还探讨了环境耗散对于系统中量子信息流动的影响。

基于腔量子电动力学的两原子远程态制备方案

提出了一个以两原子纠缠态和三原子W类纠缠态作为量子通道,在腔量子电动力学(QED)体系中实现两原子纠缠态的远程制备方案。借助于另一位接收者帮助,发送者通过控制原子与腔相互作用时间,可以概率地将被传送的两原子纠缠态远程制备到2位接收者中的任何一位的手中,而无需借助于辅助系统。

增光子二模纠缠相干态的纠缠特性及其通过腔量子电动力学的制备(英文)

分析了增光子二模纠缠相干态的纠缠特性,得到共生纠缠度的解析表示式.结果表明:增光子二模纠缠相干态的共生纠缠度与叠加态的相位有非常灵敏的关系.提出了一种制备增光子相干态和增光子二模纠缠相干态的方法,其制备过程为首先把增光子相干态转化为相干态与真空态一种特殊的叠加态(叠加系数与相干态振幅有关),再通过位于高Q腔内的原子与经典激光场的相互作用,从而实现增光子相干态的制备.通过一个飞行原子先后与两个光腔中光场相互作用可以实现增光子二模纠缠相干态的制备.

光纤耦合的腔量子电动力学系统中的分布式量子信息（英文）

光纤耦合的腔量子电动力学系统是一个完美的理论模型,可以实现决定性的量子信息过程.该文综述了最近在光纤耦合的腔量子电动力学系统中实现分布式量子信息处理的工作.讨论了如何在该系统中实现量子态传输、纠缠分配和量子逻辑门,并概述了多种不同的方案,如共振耦合、绝热操控、虚激发过程.最后,讨论了这个方向上的实验进展.

利用四粒子χ-Type态在腔量子电动力学中实现任意两粒子态的量子信息分裂

提出了一个利用四粒子纠缠态χ-Type态在腔量子电动力学中实现任意两粒子态的量子信息分裂方案。和其他的量子信息分裂方案相比,此方案有一些优势。方案不包含Bell基测量,并且对腔衰减和热场都不敏感。在目前的腔量子电动力学技术中更易于实现。

光学腔量子电动力学的实验进展

研究受限在微腔中的光场与原子的相互作用可以帮助我们深刻认识原子与光子作用的动力学过程 .腔量子电动力学是研究光子与原子相互作用的一种有力工具 .强作用腔量子电动力学的研究为量子信息提供了一种实现量子逻辑运算的途径 .文章简要介绍该研究领域的背景、现状及发展动态 .

高精细度法布里-珀罗光学微腔及其在强耦合腔量子电动力学中的应用

强耦合腔量子电动力学(cavity quantum electrodynamics,简称C-QED)系统主要用于研究受限于空间中的光与物质相互作用的物理现象。该系统为深入认识原子与光子间相互作用的动力学行为提供了有力工具。高精细度法布里-珀罗光学微腔(Fabry-Perot cavity, F-P腔)作为强耦合C-QED系统的核心部分,是实现光与物质间的强耦合、探索极端条件下光与物质间的相互作用、精确操控原子以及灵敏探测相关过程等的基础。简要介绍了高精细度F-P腔及其在强耦合C-QED中的应用,包括研究背景、现状及发展动态,并就未来的发展和应用进行了展望。

Nd^(3+)掺杂硫系玻璃微球荧光腔量子电动力学增强效应

采用粉料漂浮高温熔融法自制Nd3+掺杂硫系玻璃微球,研究了腔量子电动力学增强效应对稀土掺杂硫系玻璃微球荧光光谱的影响。把直径90.53μm的硫系玻璃微球与锥腰直径1.02μm的石英光纤锥耦合,将808nm抽运激光导入微球,荧光光谱存在分立的共振峰。根据米氏散射理论公式,计算得到TE偏振态下基模的三个共振峰位置,确定了这三个共振峰的模式序数。增强因子η≈1122,这表明微球荧光自发辐射速率增强幅度为1122倍。在基模条件下对原增强因子公式进行近似化简,并利用近似公式进行估算得到η≈1167,误差为4%。

用于腔量子电动力学研究的铯原子双磁光阱

建立了铯原子双磁光阱(MOT)系统用来制备腔量子电动力学(Cavity-QED)实验所需的处于超高真空(UHV)环境中的冷原子。采用一束聚焦的连续激光束将气室磁光阱从背景铯蒸气中冷却并将俘获到的冷原子有效地输运到超高真空磁光阱,实现了铯原子双磁光阱。实验中研究了输运光束的失谐量对于超高真空磁光阱中的稳态冷原子数的影响,同时对气室磁光阱和超高真空磁光阱的装载过程作了分析。气室磁光阱和超高真空磁光阱的典型气压分别约为1×10-6Pa和8×10-8Pa,典型的稳态冷原子数分别约为5×107和5×106,冷原子等效温度约72±4μK。

利用三原子W类纠缠态在腔量子电动力学体系中实现单原子态的远程制备

提出了两个利用三原子W类纠缠态作为量子通道,在腔量子电动力学(QED)体系中实现单原子态的远程制备方案:一个是接收者借助于原子与单模腔场之间的大失谐相互作用实现初始态重建,另一个则是接受者利用原子与单模腔场之间的共振相互作用完成远程态制备。两方案中都涉及到了一位发送者和两位接收者,发送者可以将被传送态远程制备到两位接收者中的任何一位的手中,而另一位接受者必须为其提供必要的协助。表明利用原子与腔场之间的大失谐相互作用的方法可以很好地克服腔场的消相干,降低对腔品质因子的要求;而利用共振相互作用的方法则无需引入辅助原子,操作简便。但不论采用何种方法,实现单原子远程态制备的总成功概率是相同的。

腔量子电动力学系统中耦合三原子的纠缠特性

研究了三个全同二能级原子与单模腔相互作用系统中原子间的三体纠缠特性.考虑原子间存在相互耦合,并且腔场处于弱相干态的情况,通过数值计算给出了纠缠量的演化曲线,讨论了原子间耦合强度和弱相干场强度对三体纠缠的影响.研究结果表明:随弱相干场强度增强,原子间的三体纠缠增强;相反,随原子间耦合系数增大,原子间三体纠缠减弱.

微纳尺度腔量子电动力学

腔量子电动力学是在单量子层次上研究光和物质相互作用,在光和原子的强弱耦合、量子相干以及量子信息等方面取得了巨大的成功。通过局域场增强效应,微纳光子结构可以极大地提高光和量子体系的耦合强度,给传统腔量子电动力学带来了新的研究机遇。文章综述了微纳尺度腔量子电动力学的基本原理、重要进展以及可能的应用,特别是在基于金属微纳结构的复合体系中的量子光学效应。这些研究工作不但丰富了光和物质相互作用的内容,还将为芯片上量子信息过程及其可扩展量子网络提供一定的基础。

失谐对腔量子电动力学系统中纠缠特性的影响

采用Negativity度量两子系统间的纠缠,研究了两个全同二能级原子与腔相互作用系统中的量子纠缠。考虑原子与腔场失谐相互作用,并且原子间存在偶极相互作用的情况。利用数值计算方法,讨论了失谐量和偶极相互作用强度变化对量子纠缠的影响。研究结果表明:随失谐量增大和偶极相互作用强度增大,两原子间纠缠增强。另一方面,随失谐量逐渐增大,两原子间纠缠呈现出从不规则振荡向准周期性振荡转变。随偶极相互作用强度增大,原子间纠缠振荡频率加快。

单光子波包与腔-量子点相互作用的动力学研究

对单光子波包与腔-量子点模型相互作用的动力学过程进行了数学推导,并通过数值模拟实现了静态量子比特与飞行光子比特之间的相互转换。结果表明:由腔-量子点系统输出到光纤的光子是一个平滑的波包;通过改变激光脉冲作用时间等系统参数,可实现量子点中的原子和光子的纠缠,在此基础上,即可实现不同量子点中原子的纠缠。研究结果对解决利用腔-量子点系统来构造量子计算机的接口、制备纠缠态以及实现受控量子门等热点问题具有积极意义。

利用动力学去耦合脉冲增大和调节量子相干性和三体纠缠

本文研究了动力学去耦合脉冲对腔量子电动力学系统中量子相干性,量子失谐和量子纠缠的影响,发现动力学去耦合脉冲不仅能够增大系统中两原子之间的量子相干性,同时也能增大它们之间非经典关联(量子失谐和量子纠缠).另外,凭借迹距离的方法,探讨了动力学去耦合脉冲增大两原子之间量子相干性的原因,通过探究可以看出动力学去耦合脉冲能够控制和加速量子信息从其他子系统回流到两个原子中去,并减少两原子子系统和其他子系统之间的量子信息流动,从而增加两原子间的量子相干性和非经典关联.最后,利用保真度的方法研究了系统中三体纠缠出现的情况,结果显示在不同的时间,系统中会出现三体纠缠,特别值得指出的是,可以通过动力学去耦合脉冲来调节和增加系统中三体纠缠出现的时间.