查看原文
其他

量子信息11:原子与光子共舞4:可调耦合

薛正远 量子科学ABC 2021-11-13
=============================

认识物理,理解量子;
介绍常识,面向前沿。
=============================



拉曼过程
考虑三能级系统与两个失谐光场相互作用的情况, 如下图。


在相互作用绘景中,哈密顿量是

前两项是与两个激光相关的交流斯塔克位移;第二行的项表示能级|1>和 |2>之间的耦合。尽管没有直接的相互作用,但可以诱导两个低能级的密度相干振荡,这就是拉曼过程。

与上节的结果一样,当相位差取不同的值时,可以得到沿着不同轴的转动操作。也就是说,此三能级系统的动力学可以与二能级体系完全等价,激发态的影响可以通过大失谐而达到绝热消除。

绝热量子态转移

考虑三能级系统与两束光双光子共振相互作用的情况,在相互作用绘景中,哈密顿量是
沿着此暗态通道,缓慢的变化\theta,使其从零开始,变为\pi/2,对应的本征态将从|1>态变化为|2>,实现量子态的绝热转移。上述过程的变化可以通过改变g_1/ g_2的值实现,使其从0变化为无穷大。

注意,在上述过程中,
1. 我们对失谐量的大小没有任何要求。
2. 实际上只要g_1/ g_2>>1,|2>态的布居概率就会占主导。

量子绝热捷径及其他

上述过程要求的缓慢变化,即满足绝热条件。这一要求的目的是抑制不同本征态的跃迁,使得系统的演化过程中各个本征态的布居数不会发生变化。实际上,不同态之间总是有些跃迁的,近年来,严格抑制这些不满足绝热条件多导致跃迁(非绝热跃迁)的技术,理论和实验上都已经能够做到。

我们考虑单光子也共振的情况[1],也就是说两个激光共振的驱动三能级间的两个跃迁,即
其中U(t)是裸态基失到本征态基失的变换矩阵,

公式 (9)的第二项对应于非绝热跃迁,也就是说暗态到其他两个本征态的跃迁速率相同,都正比于\theta的倒数。同时,我们也可以看出,绝热条件的意思是指g比\theta的倒数远大。

为了消除非绝热跃迁,我们可以加入相互作用项,
非绝热跃迁项就被完美的消除了。然而,哈密顿量(11)是|1>和|2>的耦合,在自然原子中,他们一般是偶极禁戒的。

为了克服这一问题[2],我们只能添加如下形式的耦合来消除非绝热跃迁,此时第一项对应的是对原来耦合强度的改变,另外一项对应的是对对角项的调制,都是物理上允许的操作,即
从之前的分析,我们知道,在绝热基失下是没办法做到这一点的。因此,我们再额外做一个变换v(t),即演化态不再是本征态,而是另外一个基失下的坠饰本征态基失。此时,
最简单的情况是,选择 g_z=0。此时的演化速度可以减小到原来的1/8左右,具体讨论见[3]。

另外,还有基于严格解的方式[4]。

可调耦合

前面的JC模型中腔与原子的耦合强度取决于原子核腔的相对位置,一旦固定在腔内某位置之后,他们的耦合强度就确定了,无法调节。这里,我们通过三能级体系,实现腔与原子之间耦合强度的调节。

在三能级体系中,我们让|1>-->|3>和|2>-->|3>跃迁分别由量子化光场和外加的经典驱动场来诱导. 同时,它们的耦合都是大失谐的,因而可以让激发态能够被绝热消除,两者的单光子失谐量分别为\Delta和 (\Delta+\delta)。 相互作用绘景下,体系的有效哈密顿量为

-------------------
[1] X. Chen, I. Lizuain, A. Ruschhaupt, D. Guery-Odelin and J. G. Muga, Phys. Rev. Lett. 105, 123003 (2010).

[2A. Baksic, H. Ribeiro, and A. A. Clerk, Phys. Rev. Lett. 116, 230503 (2016).

[3] X. Zhou, B.-J. Liu, L.-B. Shao, X.-D. Zhang, and Z.-Y. Xue, Laser Phys. Lett. 14, 095202 (2017).
[4] H. Cao, S.-W. Yao, and L.-X. Cen Phys. Rev. A 100, 053410 (2019).

===============
前期相关文章
量子信息8:原子与光子共舞1:半经典理论
量子信息9:原子与光子共舞2:全量子理论
量子信息10:原子与光子共舞3:量子计算
: . Video Mini Program Like ,轻点两下取消赞 Wow ,轻点两下取消在看

您可能也对以下帖子感兴趣

文章有问题?点此查看未经处理的缓存