[心理学]量子相干性论文：单量子体系的相干性及光子统计研究.doc

量子相干性论文：单量子体系的相干性及光子统计研究 【中文摘要】光与物质的相互作用是现代原子分子光物理和量子控制等的重要研究内容。以激光、激光制冷、原子力探针扫描仪等为标志的实验技术,以及以玻色-爱因斯坦凝聚、电磁诱导透明等为代表的光-物质相干现象使量子力学的研究深入到了纳米尺度和单量子体系,这不仅突破了系综平均的局限,同时在理论上激发了对量子开放体系的研究。目前,诸多理论方法被发展出来,包括量子主方程(master equation)量子跳跃(quantum jump)、量子轨线(quantum trajectory)、相容历史(consistent history)、量子测量理论(如Kraus representation)等。量子相干性被认为是量子体系的关键性质,不同的相干性导致了很多新奇的量子效应,比如电子双缝干涉、纠缠光子、量子霍尔效应等。自发辐射诱导相干性是一种由自发辐射系数所导致的相干性,在原子相干性研究中占有重要的地位。在光-物质体系中,光场和物质都具有相干性,且二者具有统一的基础。为了同时描述物质(原子、分子、量子点等)和光场的相干性,通过引入密度矩阵所对应的特征函数,光子的量子统计效应以及各高阶统计量等就可以被描述。在本论文中,我们采用产生函数方法研究光与物质的相互作用体系的相干性和光子统计性质。我们讨论了被广泛研究的包括砷化镓量子点(GaAs)和铷原子(Rb)在内的单量子体系的相干性,并讨论了相关实验验证。在第一章,我们介绍了单量子体系相干性的和发展历史,在单量子尺度上的精确控制已成为现代量子理论和量子技术的核心。我们讨论了一些常见的重要的原子相干现象,包括量子拍、相干粒子数囚禁等；在理论上,我们简要介绍了几种可以用来描述光子相干性和统计的方法。在第二章,我们介绍了量子开放体系的理论基础。我们首先讨论了密度矩阵和相关的特征函数以及分布函数等的性质。然后,我们讨论了体系演化的Liouville方程、Lindblad方程、Kraus表象理论以及光-物质相互作用体系的产生函数方程,并介绍了高阶统计量。在第三章,我们集中研究了自发辐射诱导相干(SGC)。首先,我们介绍了SGC的物理基础和相关,比如暗共振、自发辐射消减以及自发辐射相干的模拟方法等。然后,我们详细讨论了单量子多能级体系中的量子拍现象,以及V型三能级体系在脉冲激发下和超精细三能级体系在连续场驱动下的性质。在第四章,我们研究了四能级体系中的电磁诱导透明现象(EIT)和SGC效应。我们介绍了EIT的相关效应,包括光速减缓、光放大、多透明窗等,以及EIT的理论基础,包括暗极化子和去退相干子空间(DFS)理论。然后,我们在失谐空间中分析了双Λ型四能级体系的EIT结构和Mandel’s Q参量所反映的光子统计性质。研究表明,SGC效应可以导致一种真空协助透明现象,我们详细分析了其动力学机制。在第五章,我们研究了N型四能级体系中的巨克尔效应和SGC效应。同样,我们首先介绍了GKE的理论基础和相关应用,诸如量子逻辑门、光学开关等。然后,我们讨论了外加控制场和开关场对非线性克尔吸收和AT (Autler-Townes)分裂的控制。我们发现,SGC效应可以导致非线性克尔吸收的消失,这说明体系中暗态可以被SGC所恢复。另外,我们还讨论了光学开关过程中对应的光子反聚束效应。在第六章,我们给出简要的总结和展望。在展望中,我们主要讨论了SGC效应在最近的一些发展、纠缠光子对的统计性质、不同能级结构中的原子相干性以及产生函数方法的应用与推广。在第七章附录中,我们介绍了所用到的铷原子的能级结构,以及对主方程的检验规则。 【英文摘要】The light-matter interaction is one of the central topics of modern atomic, molecular, and optical physics (AMO) and quantum control. The experimental technology as laser, laser cooling, and atomic force probe scanner etc, as well as the quantum interference phenomenon like Bose-Einstein condensate (BEC) and electromagnetically induced transparency (EIT) etc greatly improved the Quan-tum Mechanics to the nano-scale and single quantum system, which brought up new theoretical resear