两能级原子与热辐射场以任意强度耦合时原子的消相干特性.pdfVIP

维普资讯 岁2一 第 21卷第 6期 前 阳师范学 院学报 (自然科学) ND 6V0】 21 2000年 12月 JournziofHengyaagNormalUnive~ity(Natura[Science) D c．2 000 两能级原子与热辐射场以任意 强度耦合时原子的消相干特性 张 登 玉 0 (衡 阳师范学院物理系 ，衡 阳 421008) 摘 要 研 究两能级原子与外部环境 (热库)的相互作用。对于任意琶度耦台酌情 况，给 出求解原子约化密度矩 阵的方法 。针对实例 ，得到原子约化密度矩 阵非对角 元 ，分析原子状态 的消相干特 性 。 关键词 热辐 射场 ；两能级原子 ；相 互作 用 分类号 O431 0 引言 在原子与光场相互作用领域 ，J—c模型 (Jaynes—Cummings模型)是量子光学 中最基 糯 骑 本 的模型 ]。它是 由单个两能级原子与一个单模量子化光场组成相互作用系统 的理想模型 ， 可在 电偶极近似及旋转波近似下精确求解 。标准的 J—c模型 的哈密顿量为 (设 h—1) H 一 d+ S + g(a 5+ 5 d) (1) 枷稚 (1)式 中 。为原子 的跃迁频率 ，m为光子 的频率 ，S 、S是原子 向上 、向下跃 迁算符 ，g为光 与原子耦合常数，设它为实常数 ，n 、n为光子产生、湮灭算符。对于一个两能级原子与单模 谤 量子化光场 的相互作用系统 ，如果原子与光场 以任意强度耦 台 ，在偶极和旋转渡近似下 ，系 统的哈密顿量为0 H 一 d+ + g[-f(N)a 5+5 af(N)] (2) 式 中N=a 是光子数算符 ，，(Ⅳ)是 Ⅳ 的任意实函数 。对于两能级原子与多种场 的相互作 用 ，一些学者做了有成效的工作 ]。近几年，由于量子计算这一新学科的兴起 ，两能级原子 更加引人注 目，这是 因为两能级原子作为两态系统可充当量子信息的载体—— 量子位 。量子 位既可作为量子计算中的存储单元 ，用于存储量子信息 ；也可作为量子逻辑运算的 目标位和 控制位 ，并利用 目标位和控制位之问的可调控作用构造量子逻辑 门。两能级原子充当量子位 时 ，需要我们千方百计把量子位隔离于外部环境 ，以避免环境对量子位相互作用导致的消相 干 (decoherence)。消相干指的是环境对量子位总存在某种相互作用 ，这种作用将使得量子 位的演化不是 幺正变换 ，从而产生错误 的计算结果 口l10]。但是要使量子位完全隔离于环境 ， 收蔷 日期 2000—09—18 维普资讯 2000年第 6期 张登玉 t两能级原子与热辐射场 以任意强度耦台时原子的消相干特性 33 目前在实验上很难傲到，挽句话说，消相干现象难 以避免 。最近 ，陈平形等用 Markoff近似推 导一个两能级原子 (量子位)处于任意温度的热库 (环境)中的主方程，并讨论 由量子振幅阻 尼引起的消相干 “。本文假设两能级原子置于热库 (环境)中，则相互作用系统包括热库 (环 境)与两能级原子 ，如果原子与热库中的光场 以任意强度耦台 ，我们给出求解原子约化密度 矩阵的一般方法 ，并就 f(N)一 实例，讨论相互作用 中原子 的约化密度矩阵非对角元的 演化