基于暗态共振的量子纠缠研究

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原子相干效应是量子光学中持续讨论的热点课题。它导致了一系列重要的,有趣的物理现象,比如电磁诱导透明,相干布居捕获,无反转激光,超光和慢光,相干绝热布居转移等。其中电磁诱导透明与相干布居捕获有紧密的联系,它们共同的物理机制是暗共振。以三能级A系统为例,当系统满足双光子共振时,原子就会完全囚禁在一个基态的叠加态上,这个态不再被激发。这个囚禁态称为暗态,这个效应称为暗共振效应。另一方面,量子纠缠由于它在量子通讯和量子计算方面有着重要的作用,得到了广泛的关注。目前,许多机制被提出可以产生两体连续体变量纠缠,比如参数过程,关联辐射激光,量子拍激光,四波混频过程等等。但随着量子网络技术的发展,多体连续体变量纠缠变得越来越重要。在本文中,我们基于暗共振效应讨论了多体连续体变量纠缠,本文的创新之处包含以下几点:   第一,给出了在一个四能级双A系统中,通过相位依赖的电磁诱导透明,可以获得四体纠缠。在一定的条件下,由于量子干涉,激发态的一个叠加态从系统退耦合,使得四个场构成两个量子拍。这四个场的两个线性叠加的集合和模进入相互作用,而另外两个集合差模退耦合并处于真空水平。因此使得这个系统约化为一个三能级系统,当接近暗共振时,这两个集合场经历了极大的克尔非线性,从而导致了两个集合场之间的量子纠缠。还分析了在不同的集合中的个体模之间的纠缠。事实上,这四个模可以构成一个方形的四体纠缠,每一个模代表一个顶点,相邻的两个顶点之间纠缠,但对角线上的两个模不纠缠。   第二,表明暗共振系统可以作为一个获得光与原子纠缠的基本机制。当两个场将原子系综囚禁在暗态上时,两个亚稳态之间创造了最大相干并且介质对两个场没有吸收。这个囚禁的原子系统如同一个相干耦合的双体库作用在两个场上,两个场分别与两个跃迁耦合成为两个子库,这两个子库之间通过基态原子相干关联起来。因此,在合适的条件下,原子系综和一个集合场之间可以获得原始的Einstein-Podolsky-Rosen纠缠。进一步研究表明,在一个四能级双A系统中,通过相位依赖的电磁诱导透明,可以获得四个场与原子系综之间的图态纠缠。在这些系统中,长时的原子相干和不需要非经典光输入是光与物质之间量子通讯的优势。   第三,在一个四能级Tripod系统中,分析了在双电磁诱导透明中的三重非线性并且表明了可以获得三个模之间明亮的三体纠缠。这个非线性来源于三个亚稳态之间的Raman跃迁。在电磁诱导透明范围内,光场经历了很小的吸收,因此这个机制提供了一个明亮的三体纠缠源,它将在量子信息和量子计算中有潜在的应用。应该注意的是,这个系统与第一个系统之间的区别,在双A系统中,由于对角线上的两个模之间不纠缠,因此不能获得真正的三体纠缠,但是在这个系统中,任意的两个模之间都是两两纠缠的。   第四,最近的研究表明,在线性范围内,关联辐射激光显示了瞬时纠缠。但是随着光子数的增加,纠缠就会消失。在某些情况中,比如双模双光子激光中,只有当激光强度大于某一个值时,系统才是稳定的。此时线性处理就不再有效。在本文中讨论了非线性饱和效应对于关联辐射激光中纠缠的影响,结果表明,在弱饱和和中等饱和的区间内,可以获得纠缠。但在深度饱和区间内,纠缠被破坏。
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