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表面等离激元微纳结构中辐射体的量子退相干.pdf

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摘要

表面等离激元是金属-介质分界面处的电磁场和电子密度波的混合激发模式。表面

等离激元的场强度在垂直分界面方向指数衰减,因此该电磁环境具有极强的近场束缚效

应和与之相伴随的表面增强效应,这为实现增强的光物质相互作用提供理想平台。但是,

金属内在的电磁损耗带来严重的量子退相干,这严重制约量子表面等离激元微纳结构在

量子信息处理和量子工程技术中的实际应用价值。因此,如何抑制量子表面等离激元金

属微纳结构中辐射体的量子退相干是一个亟需解决的问题。在本文中,我们通过格林函

数方法实现耗散金属微纳结构中光物质相互作用的全量子化描述。然后超越玻恩-马尔

科夫近似,严格求解表面等离激元微纳结构中辐射体的量子退相干动力学。研究发现,

在强耦合下表面等离激元和量子辐射体所构成的复合系统形成一种新的局域本征态—

—束缚态,利用其可以实现辐射体退相干的有效抑制和量子辐射体之间稳定的量子纠缠。

首先,我们在一维金属纳米线结构中研究2-qubit系统的退相干动力学。研究发现,

系统的稳态动力学行为由复合系统的能谱特征决定:没有束缚态情况下,系统的量子相

干性完全消失,即发生了量子退相干;在有束缚态形成情况下,系统的量子退相干可以

得到有效抑制,量子相干性可以得到长久保持。研究还发现,不同的耦合强度下,系统

的退相干表现出不同的稳态动力学行为,并且该动力学行为完全由复合系统束缚态的个

数决定。更重要的是,研究发现利用束缚态可实现远距离放置的量子辐射体之间的稳定

量子纠缠。

然后,我们在一维金属纳米线结构中研究3-qubit系统的退相干动力学。研究发现,

上述束缚态机制可以推广至任意multi-qubit系统的量子退相干抑制。数值结果表明,即

使金属存在内在的电磁损耗,束缚态的形成可以确保三个辐射体之间形成稳定的三体和

两体量子纠缠。研究结果还表明,复合系统可以形成的束缚态的个数随辐射体数量的增

加而增加。更多的束缚态个数将带来更加丰富的稳态动力学行为。

我们的研究结果丰富人们对耗散金属微纳结构中光物质相互作用的认识,同时为量

子表面等离激元微纳结构在量子信息处理和量子工程技术中的应用奠定理论基础。

关键词:表面等离激元,量子纠缠,量子退相干,非马尔科夫

ABSTRACT

Surfaceplasmonpolaritonisahybridexcitationmodeofelectromagneticfieldandelectrondensity

wavesattheconductordielectricinterface.Thefieldintensityofsurfaceplasmonpolaritonsdecreases

exponentiallyinthedirectionofverticalinterface,sotheelectromagneticenvironmenthasastrongnear-field

confinementeffectandtheaccompanyingsurfaceenhancementeffect,providinganidealplatformforthe

realizationofenhancedlight-matterinteraction.However,italsosuffersfromsignificantquantum

decoherenceduetotheintrinsiclossycharactersofmetal,whichseverelylimitsthepracticalapplications

valueofplasmonicnanostructuresinquantuminformationprocessingandquantumengineering.Therefore,

howtosuppressthequantumdecoherenceofemittersinthisstructureisanurgentproblemneedtobesolved.

Inthispaper,weusetheGreen

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