单原子单模光场相互作用系统的纠缠 单原子双模光场相互 作用系统的纠缠
第 25卷 第 3期
2008年 5月
量 子 电 子 学 报
CHINESE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS
Vl
01.25 No.3
M av 2008
文章编号: 1007—5461(2008)03—0322—06
高斯型耦合 Tavis-Cummings模型的纠缠特性
邹 艳 ,李永平 ,。
(1德州学院物理系,
山东 德州 253023;
2 山东省生物物理重点实验室,
山东 德州 253023)
摘 要 :研究了高斯型耦合 Tavis—Cummings模型的量子纠缠特性,利用量子约化熵研究了相干光场 一双原
子之间的纠缠,利用 Negativity熵研究了两原子之间的纠缠,运用数值计算方法讨论了原子垂直于腔轴的运动
速度和系统的初态对场 一原子以及原子一原子纠缠的影响。结果表明,两种纠缠具有相似的时间演化规律,但对
应于同一时刻,场 一原子间的纠缠越强,两原子间的纠缠越弱。原子的运动速度对纠缠具有明显的调制作用;
光场的初始光子数越大,熵的Rabi振荡频率越大,振幅越小;而改变原子的初态时,熵的时间演化规律是相似
的。
关键词 : 量子光学; Tavis—Cummings模型;高斯型耦合系数;量子纠缠
中图分类号 :0-431.2
文献标识 码 :A
Entanglement properties of atoms in Tavis-Cumm ings
m odel with Gaussian coupling
ZOU-Van ,一.LI Yong-pin ̄,
(1 Department of Physics,Dezhou College, Dezhou 253023, China;
2 Shandong Provincial Key Laboratory of Biophysics, Dezhou 253023, China)
Abstract: The entanglement time evolution of Tavis—Cummings model with Gaussian coupling is investi—
gated.The entanglement between coherent f
ield and two atoms is explored by using the quantum reduced
entropy,and the entanglement between two atoms is studied by using Negativity entropy.Using the numer—
ica
l method,the inf
luences of the atomic motion perpendicula
rity to the axes of resonant cavity and initial
states of the system on the entanglement are discussed.The results indicate that the time evolutions of the
two entanglements a
re simila
r .But at the SalTle time the stronger the entanglement between f
ield and two
atoms is,the weaker that between the two atoms is.The motion afects the entanglement.W hen the mean
photon number increases,the Rabi ̄equency increases while the vibration amplitude decreases.W hen the
atomic initia
l state changes,the enta
n glement appea
rs simila
r time evolution.
Key words: quantum optics;Tavis—Cummings model;Gaussia
n coupling;qua
n tum enta
n glement
引 言
量子纠缠是量子力学最显著的特征之一,是量子信息处理的一种重要的物理资源,它在量子信息处理
的量子隐形传态、量子编码及纠错、量子密钥分配和量子计算中具有重要应用 [ ,引。量子纠缠的关键问题
之一是纠缠态的制备,在理论和实验上对单原子单模光场相互作用系统的纠缠 f引、单原子双模光场相互
作用系统的纠缠[ ,引、双原子单模光场相互作用系统的纠缠已进行了大量的研究 [6 ̄10】。Tavis—Cummings
(T—c)模型描述了多个两能级原子与单模光场的相互作用,近年来人们对此已进行了较深入的研究,其成
作者简介: 邹 艳 (1964一),女,山东平原人,副教授,硕士,从事量子光学和量子信息学研究工作。E—mail:dzzouyan ̄163.COiTI
收稿日期 : 2007-07—16; 修改日期 : 2007—09—30
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邹 艳等:高斯型耦合 Tavis—Cummings模型的纠缠特性
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果有望在量子光学和量子信息领域得到应用。但对于通常的T—C模型的研究,原子与场的耦合系数是作为
常数处理的,而实际问题中,它可能是变化的,文献 [11]研究过原子沿具有驻波场的谐振腔腔轴运动时,
T—C模型中光场的非经典特性;文献 [12]研究过高斯型耦合 T—C模型的布居数反转和原子的偶极压缩特
性;但关于高斯型耦合 T—C模型的纠缠特性研究还未见报道。本文中,我们研究了高斯型耦合 T—C模型
中场 一原子以及原子一原子的纠缠演化规律,分析了原子垂直于腔轴沿径向匀速运动的速度、光场的初态
平均光子数及原子的初态对纠缠的影响。
2 理论模型及其波函数.
考虑两全同的二能级原子在垂直于谐振腔腔轴的平面内沿径向运动,两原子同时出发,速度相同。光
场是单模的,腔内电场强度沿径向P呈高斯分布,原子与场的耦合系数为 g/(t),其中g为耦合系数,
)=e—p。/ ,
为腔内光场沿径向分布的有效半径,当P= ̄Po时,f(t)已减少为轴线处的1/e倍。设 t=0时,原子
位于P=一2p处,原子运动的速度
=
kgpo
k为描述原子速度变化的常数。则P=ut一2po,
,( )=e一(/g 一 ,
(3)
当gt=0或gt=4/k时,,( )=e-4=0.018≈0,所以原子与光场的有效作用时间约为 t。=4/gk。耦合
系数由 (3)式描述的双原子一单模光场系统构成 GT—C模型。为简单起见,这里不考虑原子间的偶极 一偶
极相互作用。在偶极近似和旋波近似的条件下,系统的哈密顿量可表示为 (h=1)[11 12】
H:Ho+V,凰: 。+。+ ∑2
,
1
2
V=gf(t)E(a+s +0s ),
(4)
: l
其中a和0+表示光场的光子产生和湮灭算符,
、s 和 s 是第 i(i=1,2)个原子的赝自旋算符,考
虑原子与光场共振的情况,
为原子的本征频率与光场的频率。
由于 ( ),v(t,)]=0,在相互作用绘景中时间演化算符为
u(t)=exp[-iVF(t)],
(5)
其中 =gf(t)∑ (0+si+as+)为原子静止时,两原子与光场的相互作用哈密顿量。
F( )=/o ,( ) =t exp[一(kgt-2) ]
(6)
设 t=0时光场处于相干态,原子处于相干叠加态
J (0))=[c。s曼J夕 ,夕 )一sin罢ei ̄O[e ,e )]J ),(0 丌,一丌< 丌)j
(7)
则 t时刻系统的态矢为
(0))=∑ [ ( )I札1,m)+C ̄(t)Lu2 m)+C3(t)Lu3,m)],
(8)
m =O
三个对两原子具有交换对称的波函数构成的基矢为
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lU1)=lel ̄e2), lug)= 1( e )+『e1, ))
,
lu3):Igl, ),
:
cos
s
sin
[(m+1)cos +m+2]晰
),
=
cos
‰
+
豳 e'’e sin3'.‰
㈦ ,
): cos(mcos6+m-1 Jm(m罕-1)sin (cos6-1 ( ),
其中
=
+6gF(t), 7=
+2gF(t), =
-2gF(t), ]m( ):e一
在(8)、(1o) ̄02)式中,若令F( )三t,则过渡到静止时一般 T—C模型的情况 [121。
系统的密度矩阵为:p(t)=f ( ))( ( )f。通过对光场求迹,原子的约化密度矩阵为
pa( )=Trff ( ))( ( )J:
∑ 1(m, ) (m,t)
Ec2(m,t)c (m,t)
∑ (m,t)cr(m,t)
∑ (m, ) (m,t)
Pll P12
P21 p22
P31 P32
P41 P42
P13 P14
p23 p24
P33 P34
P43 /944
∑ 1(m, ) (m,t)
∑ (m,t) (m,t)
∑ (m, ) (m,t)
∑ (m, ) (m,t)
∑ 1(m, ) (m,t)
Ec2(m,t)G(m,t)
∑ (m, ) (m,t)
∑ C3(m, ) (m,t)
(9)
(10)
(11)
(12)
∑ 1(m, ) (m,t)
E c2(m,t) (m,t)
∑ (m, ) (m,t)
∑ (m, ) (m,t)
(14)
3 场 一两原子间的纠缠特性
对于我们所设的初始条件,本文所考虑的系统可看作两体纯态量子系统,两原子与单模相干场之间的
纠缠度可以用两原子或光场的量子约化熵来度量 根据 Phoenix和 Knight[13,14]提出的量子熵理论,光场
一
原子相互作用系统中场 (原子)熵演化行为反映了光场与原子关联程度的演化特性,熵越高关联越强,可
作为光场 一原子相互作用系统纠缠程度的量度。由于光场和原子在初始时刻均处于纯态,彼此无关联,则
光场 一原子系统的熵为零且不随时间变化。根据Araki—Lieb不等式
{ 一 f S fSa+Sy{,
(15)
在t>0的任意时刻,光场与原子的熵相等 系统的场 (原子)熵为
4
( )=Sa( )=一Tr。[p。(t)Inp。( )]=一∑ InAj,
(16)
j=l
式中 (J=1,2,3,4)为原子约化密度矩阵的本征值。
下面借助于数值计算,分析高斯型耦合 T—C模型中场与两原子的纠缠特性
图1和图2给出了场 一两原子间的纠缠 s(t)演化特性,其中的双原子初始时刻均处于激发态。
如果光场为
=10的相干态,双原子垂直于腔轴以不同的速度运动时,由图 1可知场熵随时间的
演化规律,与一般的 T—C模型 (图线 (d))相比,振荡频率减小了,当两原子运动较慢时场熵的演化还能
呈现出一定的崩塌和回复现象,随着两原子运动速度的加快,两原子与光场的有效作用时间逐渐减少,当
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k=1时(图线 (a))仅振荡几次,在很短时间内就达到一较大的稳定纠缠状态,不再变化。可见原子的运动
速度对场熵有明显的调制作用。这与文献 [12]相同参数情况下得出的能级布居数反转规律类似。
1.5
1
0
O.5
O
(a)
一I
一
。
.
.
。
.
一
O
1O
2O
3O
40
5O
6O
70
g|
Fig.1 The time evolution of s(t)for l l =10, = =7r
gf
(a)k=1,(b)k=0.1,(C)k=0.06,(d)T—C
如果两原子以一定的速度运动 (取 k:0.06),光场的初态不同,如图 2所示,与真空态 (图线 (d))
相比,除初始时刻外,场熵s(t)不再恢复到零,随着光场初态平均光子数的增加 Rabi振荡的幅度逐渐减
小,频率逐渐增大,当(图线 (c))时,Rabi振荡几乎消失。可见场熵的演化还受到光场强弱的调节。
Fig.2 The time evolution of s(t)for = =7r,k=0.06. (a)l l =5(b)l l =10;(c)l l =30(d)Oz=0
两原子的运动速度一定,光场的初态平均光子数相同的情况下,改变 0值 (即改变两原子初始时刻的
状态),数值计算的结果表明,场熵随时间的演化呈现出相似的规律,类似于图1和图2各曲线的演化情
况,此处不再赘述。
4 原子一原子间的纠缠特性
两原子间的纠缠特性可用 Negativity熵 (简称 Ⅳ 熵)来描述 [15,16],它定义为
4
Ⅳ(J9)=一2∑[min(O, )],
(17)
其中 为原子约化密度矩阵的部分转置矩阵的本征值。当’N(p)=0时,两原子是独立的,非纠缠的;当
N(p)=1时,两原子则处于最大纠缠态。
原子约化密度矩阵的部分转置矩阵为
J9 (t)=E(ilpA(t)IJ) Ij)li):
i,j
Pl1 P12
P21 P22
P13 P14
P23 P24
P31 ,032
P41 P41
P33 p34
P43 P44
(18)
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其中 l )为双原子之一的基态 lg)或激发态le)
由图3可知,如果光场的初始状态一定 (为 l l0=10的相干态),两原子初态非纠缠 (都处于激发
态),当原子垂直于腔轴以不同的速度运动时,原子-原子间的纠缠特性 N(t)同相同条件下两原子-光场
间的纠缠特性相似 (与图1比较)。不同的是在振荡过程中,场熵取极大值时,原子间的纠缠取极小值,表
明在原子间的相互作用最强时,光场与两原子间的相互作用最弱。总体上看,原子-原子间的纠缠度也比
场 .两原子间的纠缠小得多。另外,随着原子运动速度的加快,两原子处于退纠缠的时间也逐渐减少。与
一
般的T.C模型 (图线 (d))相比,当 =1时 (图线 (a))仅保留开始的几次振荡就不再变化,保持在一定
的纠缠状态。可见原子的运动速度对原子间的纠缠也有明显的调制作用
Fig.3 The time evolution of N(t)for I I :10,O= =7r (a)膏=1,(b)膏=0.11,(c)膏=0.06,(d)T-C
比较图2和图4也可得到相似的结论。在真空态情况下 (图线 (d)),原子间一直处于退纠缠状态,增
大光场的光子数原子间发生纠缠,从图 4的图线 (c)、 (b)和 (a)可知,随着光子数的增大,初始退纠缠
的时间逐渐减少,之后再退纠缠的时间和次数也增加,并且这些退纠缠也与场与原子间纠缠最大的时间相
吻合。
∥
Fig.4 The time evolution of N(t)for 0= =7r,膏
1
。
. 1
l
I
l
l
l
1
(d)
0
10
20
30
40
50
60
70
∥
0.06.(a)l I =30(b)I I =10,(c)I I =5(d) =0
原子的运动速度一定,光场的初态平均光子数相同的情况下,改变两原子初始时刻的状态,数值计算
的结果表明,原子 -原子间的纠缠随时间的演化呈现出相似的规律,类似于图3和图4各曲线的演化情
况。
5 结 论
本文研究了高斯型耦合 T-C模型的场与原子以及原子间的纠缠特性,通过数值计算分析了原子的运
动速度、光场的初始光子数以及两原子的初始状态对场 .两原子的纠缠 (£)、原子 .原子之间纠缠 Ⅳ(£)
的影响。结果表明: (£)、N(t)的演化具有相似的规律,但对应于同一时刻,场 一原子间的纠缠越强,
两原子间的纠缠越弱。它们明显地受到原子垂直于腔轴的运动速度的调制作用,当运动速度较小时,呈现
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出一定的崩塌一回复现象,当k=1时,仅振荡几次就停留在一定的纠缠状态;光场初态平均光子数的增
加使 s(t)、 Ⅳ(t)的振幅减小,频率增大;不同初始状态的两原子的 s(t)、 Ⅳ(t)分别表现出相似的演化
规律。可见适当地选择系统的参数和相互作用时间,可以制备稳定的光场 一两原子、原子 一原子纠缠态,
这将在量子信息和纠缠的纯化等方面有重要的实际应用价值。
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Ⅲ
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