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            光子晶体禁带模型中原子系统态演化的文献综述研究

            来源: www.zsalud.com 作者:lgg 发布时间:2018-03-08 论文字数:34757字
            论文编号: sb2018030819364619967 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
            本文是一篇文献综述,文献综述根据研究的目的不同,可分为基本文献综述和高级文献综述两种。基本文献综述是对有关研究课题的现有知识进行总结和评价,以陈述现有知识的状况。
            本文是一篇文献综述,文献综述根据研究的目的不同,可分为基本文献综述和高级文献综述两种。基本文献综述是对有关研究课题的现有知识进行总结和评价,以陈述现有知识的状况;高级文献综述则是在选择研究兴趣和主题之后,对相关文献进行回顾,确立研究论题,再提出进一步的研究,从而建立一个研究项目。(以上内容来自百度百科)今天硕博网为大家推荐一篇文献综述,供大家参考。
             
            第一章 量子信息综述
             
            科学家和哲学家认为:物质、能量和信息是组成大千世界的三个要素。宇宙万物都离不开这三种基本过程:物质的变化、能量的转换和信息的控制。所有事物的运动都可用信息来描述,信息较比其他两者更为基本。因此,人类在推进社会文明的发展和改善社会的生活质量方面是离不开信息的,人们对如何优化信息系统越来越关注,对信息论的不断研究是为了使信息系统具有更高的可靠性和更好的保密性,这样就可以更加有效地对各类信息进行处理和控制,并加以利用。
             
            1.1 经典信息学
            信息(information)是当今使用最广泛、应用最频繁的词汇之一。如信息时代,信息交流,信息量等。那么很自然的有人就会提出一些疑问:什么是信息?是怎样具体实现传输的?如何使信息之间的传递既安全又可靠?信息是用符号传送的报道,是接收符号者从报道内容中获取的新知识。人们经常会把信息和消息(message)混在一起。例当你听到一则报道,这条报道的内容是你预先知道的,并没从报道中获取新知识,从信息论观点看你没有得到信息,只是收到了一条消息。就信息而言,消息中是否含有信息由消息内容本身和接收消息者的知识状况决定的。信息的传递是由通信系统完成的,由发送者发出,经过一些加工处理传递到接收者,使信息实现其自身价值。如图 1.1 为经典通信系统模型,信源是消息产生的源泉,编码是为了提高信息传递的可靠性和有效性,信道是传递信息的媒介,噪音为引起编码物理态发生变化的各种因素,译码是编码的逆过程,信宿是消息传递的终点。
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            1.2 量子信息学
            量子信息学[1]是一个典型的信息科学和量子力学结合的多交叉学科,涉及两个方面:(1)量子信息[2],包含量子通信;(2)量子计算[3],包含量子计算机和量子算法。类似从实数到复数的推广,量子信息学是经典信息学的推广。量子世界里有相干性、纠缠性、叠加态、不可克隆定理等诸多有趣的特性,已经引起国内外众多学者们的关注,量子信息学具有重大的科学意义和潜在的应用价值。就像从算盘到计算机的推广,量子计算机是现有计算机的推广。量子信息系统具有强大的功能,已远超经典信息系统,使得量子计算具有存储功能大、运算速度快等优越性[4]。在科学发展史上,已经有过两个“E ”,一个是能量(Energy),能量守恒定律的发现,能量的引入,曾是物理学的一大革命。第二个“E ”是熵(Entropy),熵和热力学第二定律的发现,促进了物理学的又一大进步。现在,我们又面临着一个新的境界,即第三个“E ”,纠缠(Entanglement),纠缠态是量子信息科学的基础,它是量子力学的创始人之一薛定谔最早提出的,薛定谔曾指出量子纠缠[5]是量子力学的精髓。纠缠态在量子信息学中的地位是不可替代的,它拥有着特殊的物理性质,具有很多新的奇妙的不同于经典信息的特征,这为未来信息的传输和处理提供新的物理资源,对量子信息学研究的重要目的就是如何更好地开发和应用这些新的物理资源。
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            第二章 光子晶体综述
             
            现在的生活越来越智能化,电子元器件覆盖了我们生活的各个方面。然受摩尔定律局限,集成电路的集成难度会随着电子元器件尺寸的变小而增大,当芯片的尺寸达到极小时,便会出现“电子瓶颈”效应,电路损耗变大、信息传输速度变慢。 因此,为了抑制此效应,人们把注意力从电子转到光子,光子信息进入电子领域这一重要问题作为当今信息发展的主要研究内容。如果光子作为信息传输的载体,必然可以实现大规模的光路集成,可使信息的传输速度提高,损耗大大降低的同时抗干扰和抗信息截断能力得以增强。1987 年,光子晶体材料的发现为这一前沿领域新思想提供了理论基础和发展空间。
             
            2.1 光子晶体的概念和分类
            1987 年,美国的 E.Yablonovitch[42]研究出一个具有电磁带隙的三维周期性可抑制自发辐射,同年,Princeton 大学的 S.John[43]也发现若在一个介电材料构成的超晶格中引入某种缺陷,在缺陷处与缺陷态吻合的光子将被局域,当偏离缺陷位置则发生衰减。他们分别提出了“光子晶体”这一新的名词。光子晶体(Photonic Crystals,简写PCs )是一种由两种或多种介电常数周期性排列的人工合成材料。光子晶体具有一维、二维和三维之分,按不同方式周期性排列的介电常数,如图 2.1 所示。一维光子晶体是一种层状结构,其中介质材料是交替堆叠的,光子带隙只在一个方向上出现;二维光子晶体是周期性排列的柱状或孔状结构,光子带隙出现在两个方向上;三维光子晶体是在三个方向上构成周期性结构,光子带隙在三个方向上出现。光子晶体绝大多数是通过人工设计制造,但在自然界中也有光子晶体的身影,如澳洲的蛋白石(如图 2.2 所示),孔雀的羽毛,海老鼠的毛发,蝴蝶的翅膀(如图 2.3 所示)。
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            2.2 光子晶体的特征
             
            2.2.1 光子禁带
            光子晶体与其他光学材料的明显区别在于光子禁带[44]( Photonic band gap,简称 PBG )。光子晶体有相似的半导体特性,电子在半导体中由于受到周期性势场的作用而形成能带,类似的光在周期性介质中传播也会形成光子能带,电磁波位于光子带隙中是不能传播的,如图 2.4 所示。光子禁带的出现与光子晶体的结构、几何构形、占空比及材料间的介电常数配比有关,如果我们想要设计出所需要的光子晶体,可以适当地调节光子晶体的结构、占空比等一些参量即可。
             
            2.2.2 光子局域
            光子局域[45](Photonic localization)是光子晶体的另一个重要特征。如图2.4 所示,在光子晶体中加入点缺陷或线缺陷[46,47]时,光子带隙中产生新的缺陷模。点缺陷将构成一个微腔,把光子局域在特定位置,可制作光子晶体激光器,值得一提的是光子晶体微腔在腔量子电动力学中也有极其重要的应用价值。而光子晶体线缺陷可制作无损耗的波导。若把光子晶体波导和微腔结合可制作集成光路的一些基本元器件[48-50]。
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            第三章 动静态库环境对激发态原子系统演化的调控........... 21
            3.1 引言.............. 21
            3.2 两能级原子在腔中的态演化.......22
            3.3 单洛伦兹库对激发态原子系统演化的调控.....23
            3.4 理想光子禁带模型库对激发态原子系统演化的调控..........24
            3.5 理想光子禁带模型中心谐振频率受动态库环境调制..........29
            3.6 理想光子禁带模型半宽度受动态库环境调制........... 35
            3.7 双洛伦兹库对激发态原子系统演化的调控.....39
            3.8 平方洛伦兹库对激发态原子系统演化的调控........... 40
            3.9 四种环境模型之间的对比分析..............41
            3.10 静态无调制光子晶体中原子布居数随时间的演化............ 47
            3.11 本章小结....52
            第四章 二维函数光子晶体禁带结构和半狄拉克点的研究.............. 55
            4.1 引言.............. 55
            4.2 二维光子晶体 TM 波和 TE 波的本征方程.........56
            4.3 二维函数光子晶体介电系数的傅里叶变换.....60
            4.4 二维三角晶格函数光子晶体带隙结构的研究........... 63
            4.5 二维正方晶格函数光子晶体带隙结构的研究........... 72
            4.6 二维正方晶格函数光子晶体中的空位型点缺陷....... 74
            4.7 本章小结...... 77
            第五章 J-C 模型的 N 光子耦合纠缠的演化特性..........79
            5.1 引言.............. 795.2 理论模型...... 80
            5.3 纠缠度的计算.........82
            5.4 线性介质中多光子跃迁原子与光场的纠缠特性....... 84
             
            第五章 J-C 模型的 N 光子耦合纠缠的演化特性
             
            目前,腔量子电动力学[145](腔QED)已发展成热门学科,腔与物质原子之间的相互作用做为主要研究对象。随着腔QED的发展,制备腔的技术手段也在不断的完善,各种高品质腔都能够制备出来。腔 QED 研究的主要模型为Jaynes-Cumming 模型[146](J-C 模型)。1963 年 J-C 模型的建立对腔理论和实验的制备起到极大地促进作用。在诸多研究领域内发挥着首要作用[147],且在产生量子态、制备纠缠态、量子计算的实现等很多方面都有不可替代的地位。
             
            5.1 引言
            J-C 模型通过一个两能级原子的哈密顿量来描述两能级原子与单模腔场间的相互作用。理论上此模型具代表性,其数学形式较简单,是全量子化且可严格求解的模型。实验上这模型已利用高品质腔和里德伯原子实现。近年来,理论和实验上有许多对 J-C 模型的扩展研究[148-154],从二能级原子到多能级原子的扩展,从单原子到多原子的扩展,从单模光场到多模光场的扩展。J-C 模型受到广泛关注,如对 JC 模型受外加驱动场控制、双模多光子 JC 模型的量子相位及非线性JC 模型等的研究,发现一些奇特的量子现象,如原子布居数反转、拉比振荡等。在量子光学中,非线性现象是普遍存在的,克尔效应是简单的非线性现象之一。光学量子在克尔介质中传播揭示了如薛定谔猫的形成、光子反聚束等许多有意思的特性。在大部分的文献中,对跃迁光子数 N=1,2 的原子与光场的纠缠特性研究较多。在本章中,分别考察在线性和非线性介质中多光子( N  1,2,3,4,5,6)跃迁情况下用 J-C 模型研究原子与光场量子纠缠随时间演化的规律。推导出跃迁光子数、系统初始态参数、失谐量、初始光子数及非线性项系数与原子与光场的纠缠度之间的解析关系。给出了系统纠缠度随时间演化的曲线,分别研究跃迁光子数、系统初始态参数、失谐量、初始光子数及非线性项系数的变化对纠缠度的影响,通过数值计算得到了一些有价值的结论。
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            结 论
             
            本论文主要探讨了动静态结构库中对激发态原子动力学特性的调控,研究了光子晶体中原子上能级布居数随时间的演化特性,设计出一种可调性强的新型二维函数光子晶体,为光子晶体热库的可控性提供条件,可以更方便地对其中的原子进行量子操控,还探究了线性介质和非线性介质中 J-C 模型 N 光子耦合纠缠的演化特性。得到了一些有价值的结论:首先,详细地研究了初态处于激发态的两能级原子系统的演化过程,通过调节动静态库环境的结构参数,研究其对激发态原子系统演化的影响。在静态无调制下,随着半宽度1  的增加,能量耗散到腔外的速度变快,原子系统失去相干性的速度加快。当改变半宽度2  的取值,对原子上能级布居数演化的影响较小,较好的保持了原子系统原有的相干性。随着库的中心谐振频率c  的增加,库的中心谐振频率与原子的跃迁频率之间发生失谐不再共振,会出现衰减抑制效应。随着比重2W 的增大,原子系统演化的相干性变弱。在动态调制下,库的中心共振频率受到动态环境库调制,无论怎样的动态调制形式,衰减抑制在原子系统的演化过程还是有较明显的体现。由于调制时间和非调制时间的周期性交替,使原子受到不同环境的作用,这样就使得利用环境变化对原子系统相干性演化调制的想法得以实现。库的半宽度受到动态环境库调制,对原子系统的相干性影响不大。对比分析四种环境模型:单洛伦兹,理想光子禁带,双洛伦兹和平方洛伦兹对激发态原子布居数演化的调控。静态无调制下,平方洛伦兹模型库与其他三种环境库相比较,原子上能级布居数振荡最快,原子系统失去相干性的速度及能量耗散到腔外的速度最慢。在单洛伦兹模型库中原子衰减到基态的时间要比其他三种环境库短。在动态调制下,通过比较光子禁带模型与单洛伦兹模型库发现:原子衰减到基态的时间要长,能量耗散到腔外的速度要慢,原子系统失去相干性的速度较慢。在光子晶体中讨论了在静态无调制下原子上能级布居数的演化过程。随着原子上能级到禁带带边的相对位置的改变,即原子上能级由禁带向导带逐渐的移动,原子自发辐射抑制作用逐渐变弱,使得原子上能级占据数趋于的稳定值越来越小,最后为零。这种原子自发辐射以非指数形式衰减,而对于一般自由空间是以指数形式衰减,衰减形式不同。
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            参考文献(略)

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