【摘 要】
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处理光与开放系统的相互作用,如生物大分子和复杂分子等,在现代光学技术的发展中属于重要的一个环节。在开放系统中,环境因素在很大程度上会影响光学测量的控制。最优控制理论等方法是基于Hilbert空间系统动力学的幺正演化优化,因此适用对象仅限于孤立系统。另一方面,量子热力学和量子热机领域通常用刘维尔空间来处理开放量子系统的动力学。细致平衡和卡诺循环就是系统和环境相互作用中的优化过程的例证。量子热机（qu
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处理光与开放系统的相互作用,如生物大分子和复杂分子等,在现代光学技术的发展中属于重要的一个环节。在开放系统中,环境因素在很大程度上会影响光学测量的控制。最优控制理论等方法是基于Hilbert空间系统动力学的幺正演化优化,因此适用对象仅限于孤立系统。另一方面,量子热力学和量子热机领域通常用刘维尔空间来处理开放量子系统的动力学。细致平衡和卡诺循环就是系统和环境相互作用中的优化过程的例证。量子热机（quantum heat engine-QHE）是将热量从热库转移到冷库并做功。在分子系统中的光学泵浦探测,是将能量从泵浦光转移到探测光并对分子产生作用。两相类比,我们提出了一种基于量子热动力学的非相干控制方案来操控光学测量。本文主要包含了两个部分:第Ⅰ部分包括五个章节:第Ⅰ.1章概述了量子热机中量子热动力学理论和早期相关实验进展。第Ⅰ.2章介绍了描述系统和热库的底层数学框架,以及在系统-库具有弱相互作用条件下的相关近似。在第Ⅰ.3章中,我们介绍了已经成熟地应用于孤立系统相干控制的方法和技术。在第Ⅰ.4章中,首先讨论了热量的量子定义和连续三能级热机的数学公式。随后进一步讨论了在高温和低温极限下输出功率最大化方案。第Ⅰ.5章主要介绍了通过对光与物质相互作用进行微扰展开而得到的基本数学模型。随后,我们给出了场-物质相互作用中三阶泵浦探测信号的图表。第Ⅱ部分由三个章节组成,该部分也将主要讲述本文的主要发现。第ⅡI.6章主要推导出了个物理模型。在该模型中,泵浦探测信号可以被视为当能量在两个相干库之间转移时材料系统所做的功。在热力学中,热机（如激光器）是一种在类似的两个热库之间工作的装置。我们利用量子热机的物理特性,提出了一种光信号的“非相干”控制方法。通过将分子电子激发态的相干光激发与热弛豫相结合,我们引入了一个有效的热库,将探测光的受激发射视为热机所做的功。我们采用四能级模型系统,在强耦合和弱耦合区域通过控制泵浦激光参数来优化功率和效率,来说明其工作原理与热机的热力学循环等效。第Ⅱ.7章给出了双光子泵浦激发和经典光源探测的优化控制过程。通过引入一个有效的热库来描述双光子激发,我们成功地将经典光的透射行为描述为与量子热机做功等价的过程。得益于对纠缠时间的控制以及量子光源双光子吸收对激光强度标度率的特殊性,这种热机中的最大做功可以超过经典双光子和单光子泵浦。同时,最大功率下的效率可归因于三能级量子热机的常规边界条件。我们的结果为开放量子系统中涉及到量子光源双光子过程的非相干控制和光学测量的优化铺平了道路。在第Ⅱ.8章最后,我们对全文进行了总结,并描绘了未来的研究方向,并基于我们模型提出了一些可能的实验方案。
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