شماره ركورد
24622
شماره راهنما
PHY2 803
عنوان
اثرهاي غيركلاسيك برهم كنش اتم با ميدان تابشي در رژيم هاي جفت شدگي فراقوي و ابَرَقويِ الكتروديناميك كوانتومي دروِنِ كاواك
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
فيزيك - اپتيك و ليزر
دانشكده
علوم
تاريخ دفاع
شهريور 1402
صفحه شمار
152 ص.
استاد راهنما
محمدحسين نادري
كليدواژه فارسي
الكتروديناميك كوانتومي درون كاواك , رژيم جفت شدگي فراقوي , رژيم جفت شدگيابَرَقوي , تقريب موج چرخان , اثرهاي غيركلاسيك
چكيده فارسي
در اين پايان نامه با مطالعه نظري الگوي كوانتومي رابي، به بررسي اثرهاي غيركلاسيك در رژيم هايمختلف برهم كنش بنيادي اتم-ميدان تابشي يعني برهم كنش ميان تك اتم دوترازه و تك مد ميدان تابشيدرون يك كاواكي كه بعد طولي آن بسيار كوچك تر از طول موج ميدان تابشي است، خواهيم پرداخت.انگيزه اصلي اين مطالعه مبتني بر اين حقيقت است كه رقابت قدرت جفت شدگي اتم و ميدان تابشي با ديگربسامدهاي مشخصه سامانه همانند آهنگ فرايندهاي اتلافي سامانه و بسامد برهنه زيرسامانه ها، رژيم هايمتفاوتي از برهم كنش را پديدار مي سازد و رفتار كوانتومي سامانه را تحت تاثير قرار مي دهد. اگر قدرتجفت شدگي كوچك تر از آهنگ هر كدام از فرايندهاي اتلافي زيرسامانه ها همچون گسيل خودبه خود اتمدوترازه و آهنگ فرار فوتون از كاواك، باشد پيش از تبادل موثر انرژي ميان اتم و ميدان تابشي، انرژي ميرامي شود كه بيانگر رژيم جفت شدگي ضعيف است. در رژيم جفت شدگي قوي با غلبه قدرت برهم كنش اتم باميدان تابشي برآهنگ فرايندهاي اتلافي به ايجاد كوانتوم برانگيختگي ِ آميزه اي از هر دو مد اتمي و فوتونيموسوم به شبه ذرات پلاريتون مي انجامد؛ اما همچنان برهم كنش در چهارچوب نظريه اختلال روي مي هد زيرا قدرت جفتشدگي نسبت به بسامد برهنه زيرسامانه ها مقدار بسيار ناچيزي دارد. به منظور تقويت قدرتجفت شدگي اتم و ميدان تابشي رژيم هاي جفت شدگي فراقوي و ابَرَقوي معرفي مي شوند كه با معياري متفاوتبا رژيم هاي جفت شدگي ضعيف و قوي، از يكديگر تفكيك مي شوند، به طوري كه اگر ثابت جفت شدگي كسرقابل ملاحظه اي از يكي از بسامدهاي برهنه زيرسامانه ها باشد سامانه در رژيم جفت شدگي فراقوي قرار داردحال آن كه جفت شدگي ابرقوي نمايانگر وضعيتي است كه قدرت جفت شدگي بزرگتر از بسامدهاي مزبورباشد.
در وهله اول با بررسي ساختار رياضي هاميلتوني كوانتومي رابي نشان مي دهيم در رژيم هاي فراقوي وابرقوي، اعتبار تقريب موج چرخان كه متضمن پايستگي تعداد كوانتوم هاي برانگيختگي است، درهم مي شكندو به دنباله آن با حضور جملات پادچرخان كه به عنوان گذارهاي فوتون مجازي تعبير مي شود، علاوه براين كه حالت زمينه سامانه را به داشتن كوانتوم هاي برانگيختگي مجازي با ماهيت دوگانه اتمي-فوتوني مطلوبمي سازد سبب ايجاد هم بستگي هاي كوانتومي و درهم تنيدگي قوي ميان مدهاي اتمي و فوتوني مي شود كهبه نوبه خود منجر به القاي غيرخطييت به شكل ايجاد ناهماهنگي در ساختار تراز انرژي مي شود كه بارزترينتاثير آن در رژيم جفت شدگي فراقوي اين است كه برخلاف رژيم جفت شدگي قوي، كوانتوم هاي برانگيختگيسامانه برهم كنشي به شكل شبه ذرات تمييز پذير پلاريتوني ظاهر مي شود. از آن جا كه برخلاف رژيم هايجفت شدگي قوي تحقق رژيم هاي فراقوي و ابرقوي در ناحيه بسامد اپتيكي در چيدمان هاي الكتروديناميككوانتومي درون كاواك به دليل محدوديت هاي طبيعي كه فراروي افزايش قدرت جفت شدگي اتم-ميدان قرارمي گيرد، امكان پذير نيست به الگوسازي فيزيكي چيدمان هاي الكتروديناميك كوانتومي مداري در چارچوبالگوي كوانتومي رابي مي پردازيم. نشان خواهيم داد كه فوتون هاي كهموج محصورشده در بازآواگرهاي خطانتقال ابررسانا مي توانند به طور همدوس با اتمهاي مصنوعي ابررسانا يا همان بيت هاي كوانتومي ابررسانا واقعدر داخل بازآواگر برهم كنش كنند. ميزان اتلاف ناچيز و انعطاف پذيري خارقالعاده در مهندسي ويژگي هايكيوبيت ابررسانا و بازآواگر از جمله عواملي است كه اين چيدمان ها را در شمار بسترهاي مهم در تحققرژيم هاي جفت شدگي فراقوي و ابرقوي قرار مي دهند. موضوع ديگري كه بدان مي پردازيم تحول زماني دررژيم هاي جفت شدگي متفاوت اتم-ميدان است. آنچه كاملا مشهود است اين است كه در دو رژيم فراقوي و ابرقوي، حضور فوتون هاي مجازي علاوه بر اين كه سبب بروز آثار غيركلاسيك همچون حالت هاي درهم تنيدهاتم-ميدان، چلاندگي مولفه هاي كوادراتوري و آمار كوانتومي ميدان تابشي مي شود، جنبه هاي جديدي ازپديده هاي كوانتومي نظير نابودي و بازافرينش نوسانات كوانتومي رابي، راه بند فوتوني و ... را نيز نمايانمي سازد. از سويي ديگر، با بررسي نقش شرايط اوليه سامانه در حالت تحول يافته زماني هر دو زيرسامانهاتم و ميدان به بروز و تقويت آثار غيركلاسيك در رژيم هاي متفاوت برهمكنشي خواهيم پرداخت. تحققرژيم هاي مزبور و مشاهده اين آثار غيركلاسيك منحصرا به حضور برانگيختگي هاي مجازي محدود نمي شود،درواقع با معرفي برخي طرحواره ها نظير مدولاسيون زماني بسامد هاي برهنه زيرسامانه ها، تقويت پارامتريكو جايگزين كردن يك اتم چندترازه يا چندين اتم دوترازه به جاي تك اتم دوترازه كه با تزريق غيرخطيت بهسامانه همراه است، مي توان در غياب برانگيختگي هاي مجازي تحقق رژيم هاي جفت شدگي فراقوي وابرقويرا در يك بستر كاملا كنترل پذير ميسر ساخت.
كليدواژه لاتين
Cavity quantum electrodynamics , Ultrastrong coupling regime , , Deep strong , coupling regime , Rotating wave approximation , , Nonclassical effects
عنوان لاتين
Nonclassical effects of atom-field interaction in the ultrastrong and deep strong coupling regimes of cavity quantum electrodynamics
گروه آموزشي
فيزيك
چكيده لاتين
In this thesis, through the theoretical study of the quantum Rabi model, we will discuss non-classical effects in various regimes of the fundamental atom-radiation field interaction. These regimes involve the interaction between a two-level atom and a single mode of the radiation field within a cavity whose dimensions are much smaller than the wavelength of the radiation field. The primary motivation for this study is rooted in the competition between the atom-field coupling strength and other characteristic frequencies of the system such as the dissipation rate of the system and the bare frequency of its subsystems, which result in distinct interaction regimes and influence the quantum behavior of the system. When the coupling strength is smaller than the dissipation rates of the subsystems, like the spontaneous emission of the two-level atom and the rate of photon escape from the cavity, the interaction system experiences damping prior to the effective exchange of energy between the atom and the radiation field. This signifies the weak coupling regime. In the strong coupling regime, the atom’s interaction with the radiation field dominates over the dissipative processes, leading to the creation of mixed excitation quanta involving both atomic and photon modes known as polariton quasi-particles. However, this interaction still operates within the perturbation theory framework due to the smallness of the coupling constant in comparison to the subsystems’ bare frequencies. Through increasing the atom-field coupling strength, we introduce the concepts of ultrastrong and deep strong coupling regimes, which are separated from each other by a criterion different from the weak and strong coupling regimes, so that if the coupling constant is significantly fraction of one of the bare frequencies of the subsystems, the system is in the ultrastrong coupling regime, while deep strong coupling regime indicates a situation where the strength of coupling is greater than the bare frequencies. Initially, by examining the mathematical structure of the quantum Rabi Hamiltonian, we demonstrate that in the ultrastrong and deep strong regimes, the validity of the rotating wave approximation breaks down. This breakdown results in counter rotating terms, interpreted as virtual photon transitions. These transitions, along with the presence of virtual excitations with dual atomic-photon nature in the ground state, induce quantum correlations and strong entanglement between atomic and photonic modes. This, in turn, leads to nonlinearities in the form of anharmonicity in the energy level structure. This anharmonicity is the most conspicuous effect in the ultrastrong coupling regime, so that the quantum excitation of the interaction system appears as distinguishable quasi-particles, polaritons. Due to the inherent limitations on increasing the atom-field coupling strength, it’s not feasible to achieve the ultrastrong and deep strong coupling regimes in the optical frequency range in cavity quantum electrodynamics setups. Thus, we focus on the physical modeling of circuit quantum electrodynamics settings within the quantum Rabi model framework. We illustrate that microwave photons trapped in superconducting transmission lines can coherently interact with artificial atoms or superconducting quantum bits located inside resonators. The low loss and remarkable flexibility in engineering superconducting qubit and resonator’s features contribute to making these setups crucial platforms for realizing ultrastrong and deep strong coupling regimes. Another aspect we address is the time evolution in different atom-field
تعداد فصل ها
4
فهرست مطالب pdf
124024
نويسنده