对称性破缺诱导的多光子过程

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1、学校代码：10270分类号：O429学号：152200689硕士学位论文对称性破缺诱导的多光子过程学院：数理学院专业：凝聚态物理研究方向：量子光学研究生姓名：袁海鸣指导教师：冯勋立研究员完成日期：2018年5月上海师范大学硕士学位论文摘要论文题目：对称性破缺诱导的多光子过程学科专业：凝聚态物理学位申请：袁海鸣导师：冯勋立研究员摘要多光子非线性过程在光学领域及其相关学科有着重要的理论意义和广泛的应用前景。非线性多光子过程不仅可以产生压缩效应，反聚束效应等非经典效应，而且在量子信息处理中可以用来实现量子逻辑门、产生量子纠缠态等。由于光子与光子之间的相互作用很弱，因此实现多光子非

2、线性过程需要很强的光场输入，在弱光场情况下（尤其是单光子情况下）是很难实现的。为了克服这种困难,人们提出了多个实现弱场条件下非线性效应的理论方案，比如，借助电磁感应透明实现双光子吸收；利用原子间的里德堡相互作用来实现高阶非线性等等；最近，日本的Nori研究组提出了一个通过三波混频和四波混频的方法实现超导电路量子电动力学(superconductingcircuitQED)体系中的多光子过程的方案。近年来，超导电路QED体系为人们提供了一个理想的光与物质相互作用的平台。与一般的腔QED系统相比，超导电路QED系统有着一些明显的优点，如容易实现光场与量子比特间的可调节的超强相互

3、作用和拥有对称性破缺势能等。正是基于超导电路QED体系的这样的特点，我们提出了几个实现多光子非线性过程的方案，主要包括以下四种情况：1提出了实现单模光场与量子比特简并双光子相互作用的理论方案，数值计算结果表明我们所采取的近似保真度在98.5%以上；2提出了实现频率为和的双模光场与量子比特非简并的双模双光子相12互作用的理论方案，数值计算结果表明我们所采取的近似保真度在98.8%以上；3研究了单个量子比特与两个共振腔相互作用的情况，并考虑了两个共振腔之间的相互作用。提出了产生的非简并双光子非线性过程的理论方案。数值计算结果表明我们所采取的近似的保真度在99.55%以上；4

4、研究了频率为和的双模光场与量子比特相互作用，提出了实现三光子12非线性过程的方案。I摘要上海师范大学硕士学位论文关键词：非线性过程；电路量子电动力学；对称性破缺；James有效哈密顿量方法IIShanghaiNormalUniversityMasterAbstractAbstractNonlinearmulti-photonprocessesareofimportanttheoreticalsignificanceandhavewideapplicationprospectsinopticsandrelateddisciplines.Forexample,theycan

5、notonlybeusedtoproducethenon-classicaleffectssuchasthesqueezingeffect,theanti-bunchingeffectandsoon,butalsocanbeusedtorealizethequantumlogicgateandgeneratethequantumentangledstateinthequantuminformationprocessing.Becausetheinteractionbetweenphotonsisusuallyextremelyweak,therealizationofmul

6、ti-photonprocessesinnormalnonlinearopticsrequiresstronglightfieldinput,whichishardtoapplyin,forinstance,quantuminformationprocessingandquantumcomputing.Aswellknownthatthequantuminformationisoftenencodedinthesinglephotons,sohowtogeneratenonlinearmulti-photonprocessesatasinglephotonlevelisof

7、greatsignificance.Inordertoovercomesuchdifficulties,severalschemeshavebeenproposedtoyieldstrongnonlineareffectswithweakinputofthefields.Forexample,thetwo-photonabsorptionwasrealizedbyresortingtoEIT;byusingtheRydberginteractionbetweentheatomsthehigh-ordernonlin