光腔中原子系综的量子纠缠和量子相变性质的研究

本申请项目将深入研究单个环行光腔和耦合光腔阵列中热原子系综和冷原子系综中的量子纠缠和量子相变特性。重点考察环行腔场和驱动激光场在冷原子系综中诱导的同向和反向拉曼双（多）光子激发对冷原子系综性质的影响，结合量子热库操控方法，提出制备多原子系综的多模连续变量Cluster纠缠态的方案，寻求操控这些纠缠态的有效方法，研究这些纠缠态在利用原子系综实现连续变量Quantum Teamwork等量子信息处理中的应用。同时研究囚禁于环行光腔中冷原子系综的量子相变性质，着重考察在同向和反向拉曼双（多）光子激发的共同作用下冷原子系综所展现的不同于理想Dicke模型和Lipkin-Meshkov-Glick模型的相变特性，为实验观测量子相变及其与量子纠缠之间的关系提供可行的方案。我们还将研究囚禁于强耦合光腔阵列中的多个冷原子系综的量子相变和量子纠缠特性，揭示量子相变与多体量子纠缠之间的关系。

本项目按计划完成了相关的研究工作，同时将我们的研究工作拓展到量子点体系和光力机械振子系统的量子光学性质等方面。在该项目的资助下，我们发表SCI论文30篇，其中在Phys. Rev. A发表论文17篇， 在Opt. Express上发表论文3篇，在New. J. Phys.上发表论文1篇。课题组先后共有 12 名研究生参加了本项研究工作，其中4人获博士学位，5人获硕士学位。成果如下：. 我们首先研究了囚禁于环行光腔单个冷原子系综的相干性和纠缠性质，这里我们假设原子系综中原子数N是有限大小的。我们发现，在满足拉曼双光子共振条件下，行波激光场的驱动和腔场的共同作用可导致冷原子系综发生同向和反向拉曼双光子激发，这两种双光子激发使得原子与光场的耦合依赖于原子的空间位置分布和原子数N的大小。原子系综的有限大小导致两相向传播的腔模光场彼此间可存在一阶相干特性，这种相干特性与原子的空间分布和原子数的多少直接相关，这一特性可用于测量光晶格的长度。这一体系可实现广义Dicke模型，可出现两个Dicke相变点，两相变点的出现与原子数的多少和原子的空间分布密切相关。我们还发现由于冷原子系综中所发生的同向和反向拉曼双光子激发，两腔模输出光场不同频带具有纠缠。进而，利用我们提出的多步热库操控方法，通过选择驱动原子的激光脉冲的振幅和相对相位，借助于腔模的耗散作用，提出了将四个原子系综确定性地制备于方型四模连续变量Cluster纠缠纯态的方案。进一步，我们将四个原子系综分别放置于四个远距离的光腔中，每个光腔中至放置一个原子系综，四个光腔之间用光纤连接。通过适当地调整激光的拉比频率和相位来驱动并控制四能级原子组成的系综，可以确定性的制备四模线性Cluster纠缠态。我们还详细研究了在单模纳米机械腔内产生的量子纠缠与量子相干效应，这里单模纳米机械腔内放置了光学晶格,每一个格点囚禁一个二能级原子，揭示了系统纠缠的产生和一阶相干之间的关系。. 我们研究了电子与声子的相互作用对单量子点激光性质的影响, 我们发现，当光腔的衰减率接近或者小于量子点受声子调控的自发衰变率时，腔场的光子统计服从亚泊松分布。我们提出了利用光与机械振子耦合体系来产生连续变量的多色多组分的纠缠光以及利用光力耦合和光腔串联实现空间远距离振动镜子间的量子纠缠；我们系统研究了如何将光力机械振子高效、快速冷却至基态。