两能级原子与腔场耦合系统的数值解以及反旋转波效应

本项目拟从理论上研究两能级原子与腔场相互作用系统的数值解，并从量子信息角度讨论原子与腔场反旋转波作用对系统量子纠缠以及量子相变性质的影响。研究主要分二个阶段：首先，发展玻色相干态方法，给出有限震荡模式腔场与一个两能级原子考虑反旋转波作用系统的数值解，从理论上解释实验中强耦合参数下旋转波近似失效的数据结果，分析反旋转波作用对能级移动，粒子数不守恒的影响，揭示反旋转波在强耦合系统中的物理效应。第二阶段，主要研究两能级原子在多模式玻色腔场系统的量子纠缠及其动力学性质，分析基态原子与腔场间的von Neumann熵与多体系统量子相变临界现象，以及两个纠缠的原子在有限时间出现的量子纠缠死亡现象，得到反旋转波作用下量子纠缠的演化特征，解释反旋转波效应与旋转波近似结果存在明显的差别。本项目紧密结合实验，不但对量子固态计算和量子通讯实验有重要作用，而且有助于理解光与物质相互作用多体系统的物理规律。

本项目主要研究单个两能级系统与单模玻色腔相互作用的反旋转波效应，以及多个两能级原子系统的量子相变物理性质。具体研究内容包括单个量子比特与谐振腔耦合系统中Rabi分裂和动力学震荡以及能级移动的反旋转波效应、外加磁场下的磁通量子比特量子Rabi模型的解析解、用quantum discord研究多个两能级原子与单模腔耦合系统Dicke模型发生二级量子相变的性质以及实际系统发生相变的可能性、以及多模式震荡声子与电子相互作用系统的准量子相变行为。研究结果提出了一种一般的旋转波近似解析方法，能谱结构与实验吻合很好，且可以在较强耦合区域给出很好的反旋转波现象。从量子信息角度研究两能级系统的量子相变奇异行为，同时分析量子关联与经典关联的差别，并考虑实际原子间的相互作用分析能够发生量子相变的可能性。发表相关SCI论文6篇，这系列研究成果发表在Phys. Rev. A, J.Phys. B等期刊上，得到了固态量子计算，量子光学和凝聚态理论领域的关注。