新型非绝热驱动及其在耦合波导管体系的应用研究
含时外场驱动量子系统，也称作非自治量子系统，其精确解特别是有关非绝热动力学行为的研究是量子力学的重要课题。这类非绝热驱动可以用于实现量子隧穿和相干布居数转移,在原子与分子物理、半导体量子点以及光学系统中有较多应用。特别是，与绝热演化相比较，非绝热驱动可以有效缩短演化时间，从而实现对系统的快速操纵和减少环境噪声的影响，对完成量子信息处理过程有重要意义。近年来，这一研究领域取得不少积极进展，比如提出的绝热捷径技术（亦称作无跃迁驱动算法），通过借用辅助外场消除非绝热效应，可以加速绝热过程。这一技术也已在多个实验系统中得到验证。再者，一些新颖的严格可解驱动模型近期被提出并被证明其产生的非绝热动力学本身就可以完成布居数转移。表面上看这些驱动模型都具有二分量形式，可以视为Landau-Zener线性驱动的变种。然而与Landau-Zener模型不同，这些模型的驱动频率与强度之间存在一定约束或者说匹配关系，这使得模型的动力学演化具备新颖的行为和特征。本论文在上述两个方面进展特别是后者的发现基础上对这类新型非绝热驱动及相关动力学行为与应用开展了进一步研究，主要内容和结果包括以下几个方面。 (1)论文发现了一类具有反常动力学行为的非绝热驱动系统。这类驱动系统的瞬时绝热基矢和严格非绝热动力学基矢显示出相反的的演化行为：在布洛赫空间中，两组基矢从完全相同（即平行）初始状态出发经演化最后会到达反平行的状态。论文详细探讨了这类反常动力学演化出现的内在机制，依据参数空间绝热波函数和非绝热波函数两组不同基矢演化的几何特征，论证了这类驱动系统的反常动力学行为与非绝热能级交叉之间存在的必然联系。 (2)论文进一步对Λ结构三能级系统的非绝热受激拉曼通道进行了重点研究。我们提出了一类可以实现受激拉曼跃迁的非绝热驱动协议，该协议不需要引入附加的耦合场，其动力学基矢本身可以作为非绝热拉曼通道实现能级间布居数转移。这类协议可有效的缩短演化时间，并减少由于脉冲外场截断引起的失真。论文探讨了这类非绝热拉曼通道与绝热捷径拉曼通道的关系，揭示了利用后者方法重构这类非绝热拉曼通道存在的反直觉之处以及启示。此外，论文也利用缀饰态方法探讨了削减演化过程中系统在激发态能级上占据几率的可行性。 (3)由于耦合波导管体系光场传输过程和薛定谔方程演化存在的相似性,含时量子驱动模型的动力学常被应用于研究和制作光学定向耦合器。论文基于上述新型非绝热驱动的研究结果，进一步探讨了如何利用这类驱动方案来制作光学定向耦合器。我们将两能级和三能级的非绝热驱动模型推广到两根和三根耦合波导管体系，从而设计出了两类不同的耦合器件；一类可以实现完全光信号转移，另一类可以实现光信号调制。这种非绝热光学定向耦合器可以缩短设备长度，在光通信系统中有潜在应用价值。
非绝热驱动;耦合波导管;光学定向耦合器;光信号调制
四川大学
博士
理论物理
岑理相
2021
中文
TN814
2023-02-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）