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多模电磁诱导透明理论及其应用研究

作　者: 郭裕
导　师: 匡乐满
学　校: 湖南师范大学
专　业: 理论物理
关键词: 电磁诱导透明 暗态极化子 史特恩-盖拉赫效应 交叉相位调制 纠缠相干态
分类号: O431.2
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要


最近十几年里,电磁诱导透明(electromagnetically induced transparency,简称EIT)及其应用的研究成为了理论物理、实验物理以及基础应用物理中的重要课题。EIT是一项具有重大意义和实用价值的技术,它可以通过相消干涉使得介质对共振探测光的吸收和色散特性发生显著变化,从而可以实现无吸收的大色散。目前,EIT在光速减慢、量子存储、四波混频、电磁诱导光栅、原子激光、光学双稳、光学开关、超慢光孤子、法拉第旋转、光学频率转换、光学诱导波导、光学诱导规范势、稳态脉冲、量子相位门、量子纠缠、原子分子凝聚、高精度光钟、量子成像、甚至天文学等领域都有着广泛的应用。本文主要研究了多模EIT的理论机制及其应用。其中,我们具体研究了多模EIT介质中慢光的传播、光子之间的交叉相位调制、光子-光子非线性相互作用及其在量子计算和量子信息中的应用。本论文可以分为五部分:第一部分包括第一章和第二章。为了论文的完整性和系统性,论文的第一章介绍EIT的发展历史以及研究现状。第二章介绍了EIT的一些基本理论,包括暗态的基本性质以及基于单原子图像和基于原子系综集体激发图像的EIT处理方法。第二部分为论文的第三章。主要研究了双模EIT原子介质中线性极化的量子探测光场在非均匀场中的史特恩-盖拉赫效应。推导了准粒子暗态极化子的有效薛定谔方程,然后分别利用基于准粒子的粒子性和基于光脉冲的波动性的处理方法研究了非均匀磁场和非均匀驱动场中慢光的史特恩-盖拉赫效应。第三部分包括第四章和第五章。第四章中,我们提出了一个基于八能级原子的三模EIT(TEIT)理论模型,利用哈密顿量方法研究了TEIT系统中三束弱探测光的传播,计算了宏观极化率以及三束弱探测光的群速度。分析表明可以在很短的相互作用距离内实现三束弱探测光之间π量级的交叉相移,并且通过调节三束强驱动光场的拉比频率,可以匹配三束探测光的群速度。第五章主要研究了TEIT系统中的光子-光子相互作用以及在量子计算中的应用。我们获得了光子之间的三模交叉克尔型相互作用,并且发现利用光子的三模交叉克尔型相互作用可以直接实现全光的Toffoli门。第四部分是论文的第六章。我们提出了自由行波光场的W型纠缠相干态的光学制备方案,包括基于两模交叉克尔介质的四模W型纠缠相干态的制备和基于三模交叉克尔介质的三模杂化W型纠缠相干态的制备。在理想情况下,我们的制备方案的成功几率可以达到1。最后一部分为论文的第七章,是对本文工作的总结和展望。

全文目录


中文摘要  3-5
英文摘要  5-10
第一章 绪论  10-22
  §1.1 电磁诱导透明(EIT)的历史背景与研究现状  10-19
  §1.2 本文内容与章节安排  19-22
第二章 EIT的基本理论  22-40
  §2.1 暗态  22-24
  §2.2 单原子EIT理论  24-31
    §2.2.1 半经典处理  24-28
    §2.2.2 全量子处理  28-31
  §2.3 原子系综EIT理论  31-40
    §2.3.1 单模场的量子存储  32-34
    §2.3.2 EIT的动力学描述  34-37
    §2.3.3 暗态极化子  37-40
第三章 基于双模EIT的磁光史特恩-盖拉赫效应  40-60
  §3.1 引言  40-41
  §3.2 理论模型  41-44
  §3.3 有效薛定谔方程  44-48
  §3.4 非均匀磁场中的史特恩-盖拉赫效应  48-54
  §3.5 非均匀驱动光场中的史特恩-盖拉赫效应  54-57
  §3.6 小结  57-60
第四章 基于三模EIT的巨大交叉相移  60-74
  §4.1 引言  60-61
  §4.2 理论模型  61-64
  §4.3 哈密顿量方法  64-66
  §4.4 交叉相移  66-71
  §4.5 群速度匹配  71-72
  §4.6 小结  72-74
第五章 基于三模EIT的量子逻辑门  74-84
  §5.1 引言  74-75
  §5.2 光子-光子相互作用  75-79
  §5.3 Toffoli门  79-82
  §5.4 小结  82-84
第六章 W型纠缠相干态的制备  84-102
  §6.1 引言  84-85
  §6.2 基于两模交叉克尔介质的制备方案  85-96
  §6.3 基于三模交叉克尔介质的制备方案  96-100
  §6.4 小结  100-102
第七章 总结和展望  102-104
附录A 传播方程的推导  104-106
附录B 幺正算符U_j的因子化  106-108
参考文献  108-129
攻读博士期间发表和完成的论文目录  129-131
致谢  131-132

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 光学 > 光本性的理论 > 量子光学
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