超短激光脉冲与量子相关体系的相互作用及量子调控

We study on the interaction of quantum correlation system with ultra-short laser pulses and manipulation of quantum states, especially the two-body two-level system, two-body three-level system, many-body many-level system with quantum correlation, such as quantum entanglement, both theoretically and experimentally. We study on the dynamics process of quantum coherent characteristics and non-classical quantum correlation properties, such as quantum entanglement and quantum disorder. On this basis we research on how to realize the manipulation of quantum states and then the processing of quantum information, for example, transfer, storage, retrieval, reproduction and so on. On the one hand, based on the semi-classical theory of the interaction between light and matter as well as full quantum theory, we establish and develop related physical mechanisms, theoretical model and computing method. On the other hand, we study the ultra-fast dynamics process of the system by the use of ultra-fast laser pulses, including the shaped pulse in practical way. By means of regulating properly the parameters of laser pulses, such as phase, amplitude, shape, polarization, we can manipulate the quantum states. According to these methods and techniques above, we expect to understand the physical mechanisms and characteristics of interaction between light and quantum correlation system profoundly, at the same time, we expect to seek for the means of manipulation of quantum states by ultra-short laser pulses, we also seek for new methods and schemes to realize the processing of quantum information through records and analysis on non-classical quantum correlation properties of quantum correlation system.

从理论与实验两方面研究超短激光脉冲与量子相关体系的相互作用以及量子态的操控。主要研究具有量子相关(如量子纠缠)的二体二能级、二体三能级体系和多体多能级体系，研究其量子相干特性和非经典量子相关性质(如量子纠缠和量子无序等)的动力学过程，在此基础上研究如何实现量子态的操控和对所蕴含的量子信息的处理方法(如转换、存储、提取和再现等)。在理论上用光与物质相互作用的半经典理论和全量子理论，建立和发展相应的物理机制、理论模型和计算方法；在实验上用超短激光脉冲(包括整形脉冲)技术研究体系的超快动力学过程、通过调控激光参量(如相位、振幅、形状、偏振等)进行量子态的调控。通过理论和实验的研究，期望一方面可以深入理解光与量子相关体系相互作用的物理机制和特性，另一方面寻求用超短激光脉冲手段操控量子态，并通过记录和分析量子态的非经典量子相关特性以寻求实现量子信息处理的新原理与新方案。

开展了相干光场与量子相关体系相互作用以及量子态操控和光场特性等方面的研究，主要有如下几方面的工作。第一、研究了在一维波导中单光子传输以及相干光场与一维波导中量子相关体系相互作用的一些新的量子相关现象与特性。研究结果表明，可以通过相干光场操控原子-腔-波导耦合体系的单光子透射率，因而可采用相干光场实现全光量子器件，以及有效地实现功能光子门，这样的光子门能有效地识别和控制体系中光子的传播行为，这在多维量子网络中可望得到应用。第二、研究了嵌入了一对偶极相互作用的二能级原子的单模光波导中原子间偶极-偶极相互作用对单光子透射谱的影响。研究结果表明，通过调节内部物理因素的偶极-偶极相互作用是在光波导中实现量子开关和控制光子的透射率的一条有效途径。第三、研究了基于二个通过光纤耦合腔中非局域原子物理模型的单光子最大纠缠的产生方案。研究结果表明，在原子-腔强耦合的情形下，最大纠缠度可达到0.988，这种方案下产生的最大纠缠态为建立可靠的量子网络提供了可能。第四、通过采用预报-校正-四阶龙格-库塔数值法求解非均匀展宽二能级体系的Maxwell-Bloch方程，建立了准确计算薄样品和厚样品介质中光子回波信号强度的方法，这有望以采用编码脉冲的方案来实现量子信息的存储和读取。第五、对超短激光脉冲与二能级量子态的相互作用中慢变振幅近似和旋转波近似进行了修正，研究了非慢振幅变近似和非旋转波近下超短激光脉冲对二能级体系的量子态特性的影响，得到了这些近似条件的定量判据。第六、研究了超短激光脉冲在共振介质中的干涉和衍射问题，得到了准单色光近似准确度的定量判据。定量地分析了超短脉冲的脉宽以及孔径特性对衍射光强分布的影响。第七、初步开展了采用分数阶微分方程来描述和分析量子相关体系特性的研究，以期得更有深刻意义的结果。我们已经建立了分数阶Bloch方程并进行了求解，以及通过分数维傅里叶变换分析了光场特性，得到了一些有意义的结果。