【摘要】：隨著超冷原子,特別是原了玻色-愛因斯坦凝聚(BEC)的實現(xiàn),對超冷原子氣體的物質(zhì)波特性的研究逐漸形成了原子物質(zhì)波光學這門新的學科,它在量子信息、量子仿真和量子測量中發(fā)揮了重要作用。近年來,物質(zhì)波光學的研究逐漸拓展到量子物質(zhì)波光學領域。量子物質(zhì)波光學研究物質(zhì)波的非經(jīng)典性質(zhì)和物質(zhì)波非經(jīng)典態(tài)的制備。類比于光學中的非經(jīng)典態(tài),物質(zhì)波的非經(jīng)典態(tài)在干涉儀靈敏度的提高、檢驗量子力學基本原理等方面有著重要的用途。而兩團BEC碰撞過程中的自發(fā)四波混頻是產(chǎn)生量子關聯(lián)原子對的重要物理機制。處在不同自旋態(tài)上的原子之間的相互作用會引起自旋激發(fā),然而目前的研究忽略了該效應。本文因此開展兩團旋量BEC的四波混頻研究。首先我們介紹利用旋量BEC的自發(fā)四波混頻產(chǎn)生不同自旋分量原子之間的糾纏,然后進一步探索自旋態(tài)上存在的少量原子作為經(jīng)典“種子”引起的參量放大現(xiàn)象,發(fā)展了物質(zhì)波受激四波混頻理論。另外自旋鏈作為量子多體物理中的一個重要模型,可以在固體以及光晶格中的BEC中實現(xiàn)。我們在本文的第六章提出了在半整數(shù)高自旋鏈上實現(xiàn)信息傳遞和存儲的理論模型,并給出在現(xiàn)有技術條件下的實驗實現(xiàn)方案。本論文的主要結論有以下幾個方面：(1)我們考慮囚禁在磁阱中處在F=1超精細態(tài)下mF,=0磁子能級的BEC。這團BEC在Bragg衍射的作用下會分成反向運動的兩個物質(zhì)波波包,隨后關閉囚禁勢,讓波包自由運動。由于原子間的自旋交換碰撞,一對mF=0磁子能級的物質(zhì)波會激發(fā)到兩個分別處在mF=±1磁子能級的物質(zhì)波,這是旋量原子氣體的四波混頻。我們利用Bogoliubov方法首先研究了自發(fā)的物質(zhì)波四波混頻(即初始mF=±l磁子能級上無原子),發(fā)現(xiàn)反向散射的不同自旋的原子之間存在很強的二階量子關聯(lián)。我們進一步探索利用這些量子關聯(lián)的原子來檢驗判斷量子非定域性的Clauser-Horne-Shimony-Holt (CHSH)不等式。我們發(fā)現(xiàn)反向散射且分別處在mF=±l磁子能級的原子的關聯(lián)強烈的違反CHSH不等式的現(xiàn)象,表明它們之間存在著非常強的糾纏。然而實驗上由于粒子間的自旋交換碰撞,最初制備在磁阱中的BEC中,不可避免會有原子處在,mF≠0的自旋態(tài)上,這些原子將作為經(jīng)典“種子”引起參量放大現(xiàn)象。于是我們緊接著分兩種情況研究“種子”的影響。一種是所有“種子”處在同一自旋態(tài)的情況,另一種是“種子”原子平均分布在不同自旋態(tài)的情況。以前對“種子”引起的參量放大過程的研究主要關注原子數(shù)目的增加。我們研究了散射原子在動量空間的密度分布,發(fā)現(xiàn)其具有方向性�！胺N子”原子只會引起它相應動量方向上散射原子密度的增加。根據(jù)這一特點,可以有效的將散射原子儲存起來加以利用。我們還首先對受激過程散射原子之間的量子關聯(lián)特性進行研究,與物質(zhì)波自發(fā)四波混頻相比,受激四波混頻在帶來某些方向上散射原子密度的增加的同時,減弱了這些方向上不同自旋散射原子之間的關聯(lián)。但是當只有一對自旋+1和自旋-1的原子作為種子時,我們發(fā)現(xiàn)CHSH不等式的仍然被違背,而且提高系統(tǒng)線性色散時間和碰撞時間的比值可以補償散射原子密度增加對散射原子之間關聯(lián)的減弱效應,使CHSH參數(shù)重新接近量子力學允許的上限2扼。這意味著通過旋量BEC的受激四波混頻,我們可以定向的得到強關聯(lián)的散射原子。(2)我們對半整數(shù)高自旋鏈上自旋態(tài)的相干轉(zhuǎn)換進行了研究,發(fā)現(xiàn)半整數(shù)高自旋鏈可以很好地作為信息處理器件。我們于是提出利用半整數(shù)高自旋鏈同時實現(xiàn)信息傳遞和存儲兩種功能的方案,該方案可以避免常見的混合系統(tǒng)對操控精度要求高的缺點。我們把自旋鏈上原子的最高能態(tài)組成高能量子空間,最低能態(tài)組成低能量子空間。在零場分裂非常大的情況下,這兩個子空間可以分別用對應的有效哈密頓很好的描述,高能量子空間的格點間通過交換作用直接耦合,低能量子空間的格點間通過更高階的相互作用耦合。這兩個空間耦合強度的不同使得可以將高能量子空間用來進行信息的傳遞,低能量子空間用作信息的存儲。退相干和長程相互作用對我們系統(tǒng)中信息傳遞和存儲幾乎沒有影響。在現(xiàn)有的技術條件下,我們提出利用磁性分子來實現(xiàn)這一方案。
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【學位授予單位】：華東師范大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O469;O413

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本文編號：2333884