Динамические и статистические свойства систем двух- и трехуровневых атомов, взаимодействующих с квантовыми электромагнитными полями в резонаторе Русакова Маргарита Сергеевна

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Русакова Маргарита Сергеевна. Динамические и статистические свойства систем двух- и трехуровневых атомов, взаимодействующих с квантовыми электромагнитными полями в резонаторе : диссертация ... кандидата физико-математических наук : 01.04.21 / Русакова Маргарита Сергеевна; [Место защиты: Сам. гос. ун-т].- Самара, 2008.- 167 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-1/25

Введение к работе

Актуальность проблемы

В современной квантовой оптике и лазерной физике значительное внимание уделяется как теоретическому, так и экспериментальному исследованию взаимодействия отдельных атомов и простейших атомных систем с квантовыми электромагнитными полями. Подобный интерес обусловлен рядом объективных причин, главные из которых сводятся к следующему

Наиболее просто теоретически описать взаимодействие излучения с веществом можно при помощи точно решаемой фундаментальной модели квантовой оптики - модели Джеинса-Каммингса (МДК), описывающей взаимодействие двухуровневого атома с выделенной модой квантового электромагнитного ноля в резонаторе. Именно изучение точно решаемых моделей позволяет адекватно описать протекающие в системе процессы и предсказать новые эффекты. Многочисленные теоретические исследования МДК и се обобщений показали существование в ней ряда новых квантовых эффектов: коллапс и восстановление осцилляции Раби, субпуассоновскую статистику поля и эффект антигруппировки фотонов, сжатие света, перепутывание и др. [1] Вместе с тем, совершенствование техники на современном этапе позволило экспериментально реализовать модель Джеинса-Каммингса, а впоследствии проверить на опытах и подтвердить ряд ранее предсказанных эффектов [2].

Экспериментальная реализация модели Джеинса-Каммингса на ридбер-говских атомах в высокодобротных резонаторах одноатомных мазеров и лазеров стимулировала новые исследования квантовых эффектов в МДК. Одним из направлений таких исследований является учет взаимодействия атомно-полевой системы с окружением. Подобное взаимодействие физической системы с термостатом неизбежно приводит к декогеренции, поэтому для адекватного описания динамики микромазеров и микролазеров необходимо принять во внимание диссипацию Стоит отметить, что ряд недавних экспериментов с микромазером [2] проводился для значительных величин констант диссипации атомной и фотонной подсистем. Диссипативная МДК также была реализована в экспериментах с ионами в ловушках (3|, и в сверхпроводящих системах (4]. Поэтому представляет интерес исследовать взаимодействие одиночных атомов и простейших атомных систем с квантовыми полями в резонаторах, принимая во внимание различные механизмы диссипации.

Хорошо известно, что двухфотонные процессы в атомных системах играют важную роль, благодаря высокой степени корреляции между испущенными фотонами. Интерес к исследованию двухфотонпой МДК во многом обусловлен экспериментальной реализацией двухфотонного одноатомного мазера [5] Естественным расширением модели двухфотонного микромазера является

модель с многофотонным взаимодействием произвольной мультиплетности. Другим важным обобщением модели двухфотошюго микромазера является невырожденный двухфотонный мазер. Для МДК с невырожденными двух-фотонными переходами и рамановскими переходами были исследованы атомные населенности, статистика поля, атомное и полевое сжатие, атомная и полевая энтропия и перепутывание [6]. Однако до сих пор не уделялось достаточного внимания диссипативной динамике невырожденной двухфотонной МДК В связи с вышесказанным важно обобщить известные результаты для идеального двухфотошюго микромазера на случай диссипативных моделей с многофотонным и невырожденным двухфотонным взаимодействием.

Взаимодействие атома с модой квантового электромагнитного поля в резонаторе приводит к генерации квантового перепутанного атомно-полевого состояния. Перепутанные состояния играют основополагающую роль в физике квантовой информации, квантовой коммуникации, квантовых вычислениях и квантовой криптографии [7] Перепутанные состояния являются перспективным источником для реализации квантовых логических элементов, они успешно используются в протоколах квантовой криптографии Квантовые перепутанные состояния были сгенерированы в экспериментах с микромазером и микролазером, на ионах в ловушках, на квантовых точках и в экспериментах по ядерному магнитному резонансу [7]. Отсюда вытекает необходимость детального исследования квантового перепутывания в простейших атомпо-полсвых системах- одно- и двухатомных мазерах и лазерах с вырожденным и невырожденным взаимодействием

Таким образом, проблема описания динамических и статистических свойств систем двух- и трехуровневых атомов, взаимодействующих с квантовыми электромагнитными полями в резонаторе, является актуальної! и важной как с точки зрения общей теории, так и для практических приложений в лазерной физике

Цель и основные задачи диссертационного исследования

Цель диссертационной работы заключается в исследовании диссипативной квантовой динамики систем двух- и трехуровневых атомов, взаимодействующих с выделенными модами неидеальных резонаторов, изучении флук-туациониых и статистических свойств излучения таких систем, и в исследовании свойств атомно-полевого перепутывания систем двух- и трехуровневых атомов в идеальных резонаторах, взаимодействующих с полем посредством одно- и двухфотоиных невырожденных переходов

Для реализации поставленной цели решаются следующие основные задачи

построить и решить систему управляющих уравнении для матрицы плот
ности системы в базисе "одетых" состоянии для диссипативпых систем
двух- и трехуровневых атомов,

изучить влияние диссипации -энергии на динамические и статистические
свойства излучения указанных систем;

исследовать чистые атомно-полевые перепутанные состояния в различ
ных обобщениях МДК,

проанализировать возможность распутывания состояний атомной и фо
тонной подсистем и определить время распутывания состояний

Научная новизна

Научная новизна результатов состоит в том, что-

Получены в рамках сскулярпого приближения аналитические решения задач о диссипативной динамике моделей трехуровневых атомов с конфигурацией переходов Е- и F-типа и невырожденной двухфотошюй модели Джейнса-Каммингса. Для диссипативной невырожденной двухфо-тонной модели рассчитаны параметры сжатия фотонных мод и сжатие атомного дипольного момента Показано, что учет утечки фотонов из резонатора приводит к исчезновению эффекта сжатия и смене типа статистики с суб- на суперпуаесоновский

Обобщены результаты по динамике двухфотонных моделей одноатомного мазера на случай диссипативной модели с произвольным многофо-тониым взаимодействием я расстройкой Предсказана смена типа статистики поля с суб- на суперпуаесоновский за счет диссипации.

Рассчитаны среднее число фотонов, атомные населенности, корреляционная функция второго порядка, параметры сжатия для диссипативной двухатомной одпомодовой модели Предсказано затухание и восстановление осцилляции Раби атомных наееленностей, качественно согласующееся с экспериментальными данными по динамике наееленностей двух ионов Са в магнитной ловушке Показано, что наблюдаемые величины более чувствительны к диссипации энергии за счет потерь фотонов из резонатора, чем за счет спонтанного излучения в моды термостата Рассчитан параметр сжатия резонаторного поля, максимальное значение которого двукратно превосходит сжатие в одноатомной модели.

Обобщены результаты по квантовой динамике невырожденного двухмо-дового одноатомного мазера с двухфотопным и рамаиовским взаимодействием на случай коллективной двухатомной системы Найдены чистые

состояния атомов, при которых возможно атом-фотонное распутывание. Определено время распутывания, показано его принципиальное отличие от времени распутывания в одноатомных моделях.

Достоверность результатов диссертации обеспечивается' использованием строгих математических методов; детальным анализом общих физических принципов, лежащих в основе изучаемых моделей, тестированием общих алгоритмов по результатам, полученным в других работах для частных случаев, использованием адекватных численных методов для компьютерного моделирования; качественным сравнением с существующими экспериментальными данными

Научная и практическая ценность результатов

1 Полученные в работе результаты по описанию диссипативной динамики двух- и трехуровневых атомов могут быть использованы для определения оптимальных режимов приготовления атомов и поля и проведения экспериментов в одно- и двухатомных мазерах и лазерах.

2. Материалы диссертационного исследования по атомно-полевому перепу-тыванию могут быть использованы для определения оптимальных способов генерации максимально перепутанных состояний, а также в теории квантовоіі информации и квантовых вычислении.

3 Полученные в диссертации результаты используются в учебном процессе в Самарском государственном университете при подготовке курсовых и дипломных работ студентами специальностей "физика" и "прикладная

На защиту выносятся следующие основные положения.

Расчет влияния диссипации энергии на статистические свойства резонаторного поля Для рассмотренных обобщений модели Джейнеа-Камминг-са диссипация энергии в атомпо-полевой системе приводит к смене типа статистики с суб- на суперпуассоновский.
Расчет параметров сжатия резонаторного поля в коллективной двухатомной диссипативной модели Максимальная степень сжатия в двухатомной модели двукратно превосходит сжатие в одноатомной модели Параметры сжатия более чувствительны к потерям фотонов из резонатора, чем к диссипации за счет спонтанного излучения в моды термостата

3 Условия распутывания атомной и фотонной подсистем в многофотонной, трехуровневой каскадноіі и двухатомных невырожденных моделях Джсііпса-Каммішгеа Начальные состояния атомных подсистем и условия, налагаемые на параметры моделей, при которых реализуется распутывание Оценка времени распутывания.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на. Международном рабочем совещании Физика высоких энергий и квантовая теория поля (Самара, 2003); VII Всероссийской молодежной научной школе Когерентная оптика и оптическая спектроскопия (Казань, 2003); Ежегодных Международных школах молодых ученых по оптике, лазерной физике и биофизике (Saratov Fall Meetings, Saratov, 2003, 2005, 2006); Всероссийской научной конференции Концепции симметрии и фундаментальных полей в квантовой физике XXI века (Самара, 2005); Всероссийской конференции Проблемы фундаментальной (ризики XXI века (Самара, 2005); I, III и IV Самарском региональном конкурсе-конференции научных работ для студентов и молодых исследователей по оптике и лазерной физике (Самара, СФ ФИАН, 2003, 2005, 2006); III и IV Международной конференции Фуидамепталыше проблемы оптики (Санкт-Петербург, 2004, 2006); Международной конференции по оптоинформатике и информационной фотоннке (Санкт-Петербург, 2006); X Международной молодежной научной школе Когерентная оптика и оптическая спектроскопия (Казань, 2006); IV Международной конференции Современная оптическая и квантовая память и вычисления (Photonics West/OPTO, San-Jose, California, 2007); V семинаре Д.Н. Клышко (Москва, МГУ, 2007); X Международных Чтениях по квантовой оптике (Самара, 2007), Международной конференции по фотонике (Photonics West, San Jose, California, USA, 2008); научно - практических конференциях и научных семинарах в Самарском государственном университете (2002-2008). Работа поддержана грантом 335Е2 4К Министерства образования и пауки РФ по программе областного конкурса грантов для студентов, аспирантов и молодых исследователи'! 2005 года

Публикации

По теме диссертационной работы опубликована 31 работа, в том числе, статьи в реферируемых журналах - 11 (из них входящих в Перечень периодических научных и научно-технических изданий, в которых рекомендуется публикация основных результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук - 8), статьи в сборниках трудов Всероссийских симпозиумов,

научных и научно-технических конференций - 4; статьи в сборниках трудов международных симпозиумов и конференций - 9

Личное участие автора

Все результаты, составившие основу диссертации, получены лично автором или при его определяющем участии.

Объем и структура работы

Диссертация изложена на 141 с печатного текста Она состоит из введения, 3-х глав, заключения и списка литературы, включающего 247 наименований. Общий объем диссертации - 1G7 страниц текста (в том числе 61 рисунок).