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拉比周期

物理学中,拉比周期是在振荡外场中的二能级量子体系周期性行为。一个二能级系统具有两个可能的状态,如果状态不是简并的,当吸收一份能量以后,体系可以被激发。

这种效应在量子光学核磁共振量子计算中非常重要,它是以伊西多·伊萨克·拉比(Isidor Isaac Rabi)的名字命名的。

当一个原子(或者其它二能级体系)被一束相干照射的时候,它将周期性地吸收光子并透過受激发射重新将光子发射出来,这样一个周期称为拉比周期,它的倒数称为拉比频率英语Rabi frequency

这种机制是量子光学的基础,其模型的建立可以依据傑恩斯-卡明斯模型布洛赫矢量形式。

例如,对于频率受外部电磁场调制到激发态的二能级原子(该原子的电子可以处于激发态或者基态),利用布洛赫方程可以得到,原子处于激发态的机率为 ,其中拉比频率英语Rabi frequency

更一般地,可以考虑一个没有本征态的二能级体系,如果这个体系初态位于其中一个能级,时间演化将导致每个能级的态密度按照某个特征频率振荡,其角频率也称为拉比频率英语Rabi frequency

数学处理 编辑

拉比效應的數學細節請參見拉比問題英语Rabi_problem。 例如,若將电磁场频率调至激发能,並於電磁場當中置入一個雙態原子(該原子之电子可以处于激发态或基态),那麼處於激發態原子之機率可以从Bloch方程得出:

 

 是拉比频率。

更一般而言,我們可以考虑一種,兩個能階都不是能量本征态的系统 。因此,如果在其中一個能階對系统初始化,则时间演化将使每个能階的總粒子數以某个特征频率振荡,其角频率[1]也称为拉比频率。 該雙態量子系统的状态可以表示为二维希尔伯特空间複向量 ,这意味着每个状态向量  是以標准的复数坐标表示。

   是坐标。[2]

如果向量归一化,   的关联為  。 基向量表示为  

所有与该系统相关的可观测物理量均为2   2埃尔米特矩阵 ,这表示系统的哈密顿量也是相似矩阵。

如何在量子系统中准备振荡实验 编辑

可以透過以下步骤建構振荡实验:[3]

  1. 准备系统,使之處於固定狀态;例如  
  2. 哈密顿量H下讓态隨时间t自由演化
  3. 求出狀态为 的機率 P(t)

如果 是H的本征态且P(t)=1 ,那麼就不会產生振荡。此外,如果两個態  皆為簡併態,那麼包括 在內的所有态皆為H的本征态。因此也不会產生振荡。

另一方面,若H無简并本征态,且初态不是本征态,则振荡将會產生。 雙態系統哈密頓量的最一般形式給定如下

 

  是实数。 这个矩阵可以分解为

 

 是2   2單位矩陣, 泡利矩陣 。 尤其是在与时间无关的情况下,这种分解能夠简化系统分析,其中  是常数。考虑置於磁场  之中的自旋1/2粒子。该系统的交互作用能量算符为

  

 是粒子磁矩的大小,  旋磁比 泡利矩陣之向量。此處哈密顿量之本征态是 ,而  具有对应的本徵值  。 我們可以在系统处于状态 下,給出找到任意状态 之機率 。在 的時刻,让系统处于准备状态  。 注意到  的本征态 :

 

此處的哈密顿量与时间无关。 因此,透過求解平稳的薛丁格方程,在經過时间t之后,狀態演變為  ,帶有系统总能量  。 因此經過时间t之后,状态成为:

 

现在假设在t時刻,對x方向上的自旋進行测量。 下式给出測量到自旋向上的機率:

 

 是特徵角频率,假设 的情形,給定 [4] 在这种情况下,当系统最初自旋是在 方向,那麼x方向发现自旋向上的機率會随著时间 而振盪。 同样,如果我们测量 方向,那麼所测量到的系统自旋为 之機率為  。在 簡併情形下 ,特征频率為0,無振盪發生。

留意到,如果系统处于给定哈密顿量的本征态,则系统将維持在该状态,保持不變。

這同樣也適用於时间相依的哈密顿函数。 以  為例;如果系统的初始自旋状态为  ,那麼在 時刻,自旋在y方向测量结果為 之機率為 [5]

以包立矩陣推導非微擾過程之拉比公式 编辑

考虑以下形式的哈密顿量

 

該矩陣的特徵值為

  

此處  。因此我們可以取  

現在,由方程式 : ,我們可以得到 的特徵向量。

因此,  

對特徵向量採用歸一化條件 

因此  

  。所以 

我們得到  ,即  。取任意相角 ,我們可以寫下  . 同理可證, 

所以特徵值 之特徵向量為 

由於總相角較無關緊要,我們可以寫下  

類似地, 特徵能量 之特徵向量為  

從這兩個方程,我們可以寫出

 

 

假設系統開始時在時刻  的狀態是 ,也就是說, 。經過時間t之後,狀態演變為

 

如果系統處於  之中的某一個本徵態,那麼它將會維持在同一個本徵態。然而,對於如上所示的一般初始狀態而言,時間演化並不顯然。

系統在時刻t處於狀態 的機率幅為  

系統當前處於 ,而之後處於任意態  的機率為

 

這可以簡化為

 .........(1)

這表明, 當系統最初處於狀態 時,該系統最終處於狀態 的機率是有限的。機率是以角頻率  振盪,而 是系統唯一的玻爾頻率,又稱為拉比频率英语Rabi frequency。而式子(1)亦可稱為拉比公式。在時間t之後,系統處於狀態 的機率為 ,同樣也是振盪形式。

這些二能階系統的振盪稱為拉比振盪,在許多問題之中都會發生這種振盪,如中微子振荡電離氫分子英语Hydrogen_ion量子计算氨邁射等等。

量子计算中的拉比振盪 编辑

任何双态量子系统都可以用来模拟量子位元。現在考虑一个自旋 系统,將磁矩 置于经典磁场 之中。令系统旋磁比 ,因此磁矩 ,可以給出该系统的哈密顿量 ,此處  

透過上述步骤,我們可以求得哈密顿量的特征值和特征向量。现在,让量子位元在 時刻處於量子態 ,那么,在 时刻,量子位元处于量子態 的機率為  ,这种现象就稱作拉比振盪。因此,量子位元會在量子態  之间振荡。振盪的振幅會在 達到最大,而这即為共振条件。共振时的跃迁機率為 ,要从一個量子態 跃迁到另一個量子態 ,只需调整旋转场作用的时间 滿足 或是 就充分了,这叫做「 脈衝」。如果选择的时间介于0和 之间,我们會得到  的疊加態。尤其是當 的時候,我们會得到一個「 脈衝」,它的作用是造成 量子態躍遷,而這個操作在量子計算中起到至關重要的作用。当对激光场中的二能階原子进行大致满意的旋转波近似时,方程基本上是相同的。然后两个原子能階之间的能量差 ( 是激光波的频率)及拉比频率 ,与原子的跃迁电偶极矩 与激光波电场 的乘积成正比,也就是 。總而言之,拉比振盪是用於操縱量子位元的基本過程,而這個振盪是在適當調整的時間間隔內,藉由將量子位元暴露在周期性的電場或磁場中來獲得[6]

相关条目 编辑

  • 原子相干性英语Atomic coherence
  • 布洛赫球面
  • 雷射激升英语Laser pumping
  • 光激升
  • 拉比頻率英语Rabi frequency
  • 拉比問題英语Rabi problem
  • 真空拉比振盪英语Vacuum Rabi oscillation

外部链接 编辑

    A Java applet that visualizes Rabi Cycles of two-state systems (laser driven).

      extended version of the applet. Includes electron phonon interaction.

      1. ^ Encyclopedia of Laser Physics and Technology - Rabi oscillations, Rabi frequency, stimulated emission. [2020-04-28]. (原始内容于2020-05-08). 
      2. ^ Griffiths, David. Introduction to Quantum Mechanics 2nd. 2005: 341. 
      3. ^ Sourendu Gupta. The physics of 2-state systems (PDF). Tata Institute of Fundamental Research. 27 August 2013 [2020-04-28]. (原始内容 (PDF)于2019-07-16). 
      4. ^ Griffiths, David (2012). Introduction to Quantum Mechanics (2nd ed.) p. 191.
      5. ^ Griffiths, David (2012). Introduction to Quantum Mechanics (2nd ed.) p. 196 ISBN 978-8177582307
      6. ^ A Short Introduction to Quantum Information and Quantum Computation by Michel Le Bellac, ISBN 978-0521860567

      拉比周期, 在物理学中, 是在振荡外场中的二能级量子体系的周期性行为, 一个二能级系统具有两个可能的状态, 如果状态不是简并的, 当吸收一份能量以后, 体系可以被激发, 这种效应在量子光学, 核磁共振和量子计算中非常重要, 它是以伊西多, 伊萨克, 拉比, isidor, isaac, rabi, 的名字命名的, 当一个原子, 或者其它二能级体系, 被一束相干光照射的时候, 它将周期性地吸收光子并透過受激发射重新将光子发射出来, 这样一个周期称为, 它的倒数称为拉比频率, 英语, rabi, frequency, . 在物理学中 拉比周期是在振荡外场中的二能级量子体系的周期性行为 一个二能级系统具有两个可能的状态 如果状态不是简并的 当吸收一份能量以后 体系可以被激发 这种效应在量子光学 核磁共振和量子计算中非常重要 它是以伊西多 伊萨克 拉比 Isidor Isaac Rabi 的名字命名的 当一个原子 或者其它二能级体系 被一束相干光照射的时候 它将周期性地吸收光子并透過受激发射重新将光子发射出来 这样一个周期称为拉比周期 它的倒数称为拉比频率 英语 Rabi frequency 这种机制是量子光学的基础 其模型的建立可以依据傑恩斯 卡明斯模型和布洛赫矢量形式 例如 对于频率受外部电磁场调制到激发态的二能级原子 该原子的电子可以处于激发态或者基态 利用布洛赫方程可以得到 原子处于激发态的机率为 c b t 2 sin w t 2 2 displaystyle c b t 2 sin omega t 2 2 其中w displaystyle omega 为拉比频率 英语 Rabi frequency 更一般地 可以考虑一个没有本征态的二能级体系 如果这个体系初态位于其中一个能级 时间演化将导致每个能级的态密度按照某个特征频率振荡 其角频率也称为拉比频率 英语 Rabi frequency 目录 1 数学处理 2 如何在量子系统中准备振荡实验 3 以包立矩陣推導非微擾過程之拉比公式 4 量子计算中的拉比振盪 5 相关条目 6 外部链接数学处理 编辑拉比效應的數學細節請參見拉比問題 英语 Rabi problem 例如 若將电磁场频率调至激发能 並於電磁場當中置入一個雙態原子 該原子之电子可以处于激发态或基态 那麼處於激發態原子之機率可以从Bloch方程得出 c b t 2 sin 2 w t 2 displaystyle c b t 2 propto sin 2 omega t 2 nbsp w displaystyle omega nbsp 是拉比频率 更一般而言 我們可以考虑一種 兩個能階都不是能量本征态的系统 因此 如果在其中一個能階對系统初始化 则时间演化将使每个能階的總粒子數以某个特征频率振荡 其角频率 1 也称为拉比频率 該雙態量子系统的状态可以表示为二维希尔伯特空间複向量 这意味着每个状态向量 ps displaystyle vert psi rangle nbsp 是以標准的复数坐标表示 ps c 1 c 2 c 1 1 0 c 2 0 1 displaystyle psi rangle begin pmatrix c 1 c 2 end pmatrix c 1 begin pmatrix 1 0 end pmatrix c 2 begin pmatrix 0 1 end pmatrix nbsp c 1 displaystyle c 1 nbsp 和c 2 displaystyle c 2 nbsp 是坐标 2 如果向量归一化 c 1 displaystyle c 1 nbsp 和c 2 displaystyle c 2 nbsp 的关联為 c 1 2 c 2 2 1 displaystyle c 1 2 c 2 2 1 nbsp 基向量表示为 0 1 0 displaystyle 0 rangle begin pmatrix 1 0 end pmatrix nbsp 和 1 0 1 displaystyle 1 rangle begin pmatrix 0 1 end pmatrix nbsp 所有与该系统相关的可观测物理量均为2 displaystyle times nbsp 2埃尔米特矩阵 这表示系统的哈密顿量也是相似矩阵 如何在量子系统中准备振荡实验 编辑可以透過以下步骤建構振荡实验 3 准备系统 使之處於固定狀态 例如 1 displaystyle 1 rangle nbsp 在哈密顿量H下 讓态隨时间t自由演化 求出狀态为 1 displaystyle 1 rangle nbsp 的機率 P t 如果 1 displaystyle 1 rangle nbsp 是H的本征态且P t 1 那麼就不会產生振荡 此外 如果两個態 0 displaystyle 0 rangle nbsp 和 1 displaystyle 1 rangle nbsp 皆為簡併態 那麼包括 1 displaystyle 1 rangle nbsp 在內的所有态皆為H的本征态 因此也不会產生振荡 另一方面 若H無简并本征态 且初态不是本征态 则振荡将會產生 雙態系統哈密頓量的最一般形式給定如下H a 0 a 3 a 1 i a 2 a 1 i a 2 a 0 a 3 displaystyle mathbf H begin pmatrix a 0 a 3 amp a 1 ia 2 a 1 ia 2 amp a 0 a 3 end pmatrix nbsp a 0 a 1 a 2 displaystyle a 0 a 1 a 2 nbsp 和a 3 displaystyle a 3 nbsp 是实数 这个矩阵可以分解为H a 0 s 0 a 1 s 1 a 2 s 2 a 3 s 3 displaystyle mathbf H a 0 cdot sigma 0 a 1 cdot sigma 1 a 2 cdot sigma 2 a 3 cdot sigma 3 nbsp s 0 displaystyle sigma 0 nbsp 是2 displaystyle times nbsp 2單位矩陣 s k k 1 2 3 displaystyle sigma k k 1 2 3 nbsp 是泡利矩陣 尤其是在与时间无关的情况下 这种分解能夠简化系统分析 其中a 0 a 1 a 2 displaystyle a 0 a 1 a 2 nbsp 和a 3 displaystyle a 3 nbsp 是常数 考虑置於磁场B B z displaystyle mathbf B B mathbf hat z nbsp 之中的自旋1 2粒子 该系统的交互作用能量算符为H m B g S B g B S z displaystyle mathbf H boldsymbol mu cdot mathbf B gamma mathbf S cdot mathbf B gamma B S z nbsp S z ℏ 2 s 3 ℏ 2 1 0 0 1 displaystyle S z frac hbar 2 sigma 3 frac hbar 2 begin pmatrix 1 amp 0 0 amp 1 end pmatrix nbsp m displaystyle mu nbsp 是粒子磁矩的大小 g displaystyle gamma nbsp 是旋磁比 s displaystyle boldsymbol sigma nbsp 是泡利矩陣之向量 此處哈密顿量之本征态是s 3 displaystyle sigma 3 nbsp 而 1 displaystyle 1 rangle nbsp 和 2 displaystyle 2 rangle nbsp 具有对应的本徵值E ℏ 2 g B E ℏ 2 g B displaystyle E frac hbar 2 gamma B E frac hbar 2 gamma B nbsp 我們可以在系统处于状态 ps displaystyle psi rangle nbsp 下 給出找到任意状态 ϕ displaystyle phi rangle nbsp 之機率 ϕ ps 2 displaystyle langle phi psi rangle 2 nbsp 在t 0 displaystyle t 0 nbsp 的時刻 让系统处于准备状态 X displaystyle left X right rangle nbsp 注意到 X displaystyle left X right rangle nbsp 是s 1 displaystyle sigma 1 nbsp 的本征态 ps 0 1 2 1 1 1 2 1 0 1 2 0 1 displaystyle psi 0 rangle frac 1 sqrt 2 begin pmatrix 1 1 end pmatrix frac 1 sqrt 2 begin pmatrix 1 0 end pmatrix frac 1 sqrt 2 begin pmatrix 0 1 end pmatrix nbsp 此處的哈密顿量与时间无关 因此 透過求解平稳的薛丁格方程 在經過时间t之后 狀態演變為 ps t exp i H t ℏ ps 0 exp i E t ℏ 0 0 exp i E t ℏ ps 0 displaystyle left psi t right rangle exp left frac i mathbf H t hbar right left psi 0 right rangle begin pmatrix exp left tfrac iE t hbar right amp 0 0 amp exp left tfrac iE t hbar right end pmatrix psi 0 rangle nbsp 帶有系统总能量E displaystyle E nbsp 因此經過时间t之后 状态成为 ps t e i E t ℏ 1 2 0 e i E t ℏ 1 2 1 displaystyle psi t rangle e frac iE t hbar frac 1 sqrt 2 0 rangle e frac iE t hbar frac 1 sqrt 2 1 rangle nbsp 现在假设在t時刻 對x方向上的自旋進行测量 下式给出測量到自旋向上的機率 X ps t 2 0 1 2 1 2 exp i E t ℏ 0 1 2 exp i E t ℏ 1 2 cos 2 w t 2 displaystyle left langle X psi t rangle right 2 left frac left langle 0 right left langle 1 right sqrt 2 left frac 1 sqrt 2 exp left frac iE t hbar right left 0 right rangle frac 1 sqrt 2 exp left frac iE t hbar right left 1 right rangle right right 2 cos 2 left frac omega t 2 right nbsp w displaystyle omega nbsp 是特徵角频率 假设E E displaystyle E geq E nbsp 的情形 給定w E E ℏ g B displaystyle omega frac E E hbar gamma B nbsp 4 在这种情况下 当系统最初自旋是在 X displaystyle left X right rangle nbsp 方向 那麼x方向发现自旋向上的機率會随著时间t displaystyle t nbsp 而振盪 同样 如果我们测量 Z displaystyle left Z right rangle nbsp 方向 那麼所测量到的系统自旋为ℏ 2 displaystyle tfrac hbar 2 nbsp 之機率為1 2 displaystyle tfrac 1 2 nbsp 在E E displaystyle E E nbsp 簡併情形下 特征频率為0 無振盪發生 留意到 如果系统处于给定哈密顿量的本征态 则系统将維持在该状态 保持不變 這同樣也適用於时间相依的哈密顿函数 以H g S z B sin w t textstyle hat H gamma S z B sin omega t nbsp 為例 如果系统的初始自旋状态为 Y displaystyle left Y right rangle nbsp 那麼在t displaystyle t nbsp 時刻 自旋在y方向测量结果為 ℏ 2 displaystyle tfrac hbar 2 nbsp 之機率為 Y ps t 2 cos 2 g B 2 w cos w t textstyle left left langle Y psi t right rangle right 2 cos 2 left frac gamma B 2 omega cos left omega t right right nbsp 5 電離氫分子兩態間的拉比振盪 電離氫分子是由兩個質子P 1 displaystyle P 1 nbsp P 2 displaystyle P 2 nbsp 和一個電子所組成 由於質子質量較大 因此這兩個質子可以被視為固定不動的 設R為質子之間的距離 而 1 displaystyle 1 rangle nbsp 和 2 displaystyle 2 rangle nbsp 兩個態的電子所處之位置 約坐落在P 1 displaystyle P 1 nbsp 或P 2 displaystyle P 2 nbsp 附近 假設在某一時刻 電子位於質子P 1 displaystyle P 1 nbsp 附近 根據前一節的結果 我們知道它將在兩個質子之間振盪 而振盪頻率等於與兩個分子定態 E displaystyle E rangle nbsp 和 E displaystyle E rangle nbsp 有關的玻爾頻率 這種在兩個態之間的電子振盪 對應於分子電偶極矩平均值的振盪 因此 當分子不處於定態時 就能夠產生一個振盪的電偶極矩 這種振盪偶極矩可以與同頻率的電磁波交換能量 因此 這個頻率必須出現在電離氫分子的吸收光譜和發射光譜中 以包立矩陣推導非微擾過程之拉比公式 编辑考虑以下形式的哈密顿量H E 0 s 0 W 1 s 1 W 2 s 2 D s 3 E 0 D W 1 i W 2 W 1 i W 2 E 0 D displaystyle hat H E 0 cdot sigma 0 W 1 cdot sigma 1 W 2 cdot sigma 2 Delta cdot sigma 3 begin pmatrix E 0 Delta amp W 1 iW 2 W 1 iW 2 amp E 0 Delta end pmatrix nbsp 該矩陣的特徵值為l E E 0 D 2 W 1 2 W 2 2 E 0 D 2 W 2 displaystyle lambda E E 0 sqrt Delta 2 W 1 2 W 2 2 E 0 sqrt Delta 2 left vert W right vert 2 nbsp l E E 0 D 2 W 1 2 W 2 2 E 0 D 2 W 2 displaystyle lambda E E 0 sqrt Delta 2 W 1 2 W 2 2 E 0 sqrt Delta 2 left vert W right vert 2 nbsp 此處W W 1 i W 2 displaystyle mathbf W W 1 imath W 2 nbsp W 2 W 1 2 W 2 2 W W displaystyle left vert W right vert 2 W 1 2 W 2 2 WW nbsp 因此我們可以取 W W e i ϕ displaystyle mathbf W left vert W right vert e imath phi nbsp 現在 由方程式 E 0 D W 1 i W 2 W 1 i W 2 E 0 D a b E a b displaystyle begin pmatrix E 0 Delta amp W 1 iW 2 W 1 iW 2 amp E 0 Delta end pmatrix begin pmatrix a b end pmatrix E begin pmatrix a b end pmatrix nbsp 我們可以得到E displaystyle E nbsp 的特徵向量 因此 b a E 0 D E W 1 i W 2 displaystyle b frac a left E 0 Delta E right W 1 iW 2 nbsp 對特徵向量採用歸一化條件 a 2 b 2 1 displaystyle left vert a right vert 2 left vert b right vert 2 1 nbsp 因此 a 2 a 2 D W D 2 W 2 W 2 1 displaystyle left vert a right vert 2 left vert a right vert 2 left frac Delta left vert W right vert frac sqrt Delta 2 left vert W right vert 2 left vert W right vert right 2 1 nbsp 令 sin 8 W D 2 W 2 displaystyle sin theta frac left vert W right vert sqrt Delta 2 left vert W right vert 2 nbsp cos 8 D D 2 W 2 displaystyle cos theta frac Delta sqrt Delta 2 left vert W right vert 2 nbsp 所以tan 8 W D displaystyle tan theta frac left vert W right vert Delta nbsp 我們得到 a 2 a 2 1 cos 8 2 sin 2 8 1 displaystyle left vert a right vert 2 left vert a right vert 2 frac 1 cos theta 2 sin 2 theta 1 nbsp 即 a 2 cos 2 8 2 displaystyle left vert a right vert 2 cos 2 left tfrac theta 2 right nbsp 取任意相角ϕ displaystyle phi nbsp 我們可以寫下 a exp i ϕ 2 cos 8 2 displaystyle a exp imath phi 2 cos left tfrac theta 2 right nbsp 同理可證 b exp i ϕ 2 sin 8 2 displaystyle b exp imath phi 2 sin left tfrac theta 2 right nbsp 所以特徵值E displaystyle E nbsp 之特徵向量為 E cos 8 2 e i ϕ sin 8 2 displaystyle left E right rangle begin pmatrix cos left theta 2 right e imath phi sin left theta 2 right end pmatrix nbsp 由於總相角較無關緊要 我們可以寫下 E cos 8 2 e i ϕ sin 8 2 cos 8 2 0 e i ϕ sin 8 2 1 displaystyle left E right rangle begin pmatrix cos left tfrac theta 2 right e imath phi sin left tfrac theta 2 right end pmatrix cos left tfrac theta 2 right left 0 right rangle e imath phi sin left tfrac theta 2 right left 1 right rangle nbsp 類似地 特徵能量E displaystyle E nbsp 之特徵向量為 E cos 8 2 0 e i ϕ sin 8 2 1 displaystyle left E right rangle cos left tfrac theta 2 right left 0 right rangle e imath phi sin left tfrac theta 2 right left 1 right rangle nbsp 從這兩個方程 我們可以寫出 0 cos 8 2 E sin 8 2 E displaystyle left 0 right rangle cos left tfrac theta 2 right left E right rangle sin left tfrac theta 2 right left E right rangle nbsp 1 e i ϕ cos 8 2 E e i ϕ sin 8 2 E displaystyle left 1 right rangle e imath phi cos left tfrac theta 2 right left E right rangle e imath phi sin left tfrac theta 2 right left E right rangle nbsp 假設系統開始時在時刻 t 0 textstyle t 0 nbsp 的狀態是 0 displaystyle 0 rangle nbsp 也就是說 ps 0 0 cos 8 2 E sin 8 2 E displaystyle left psi left 0 right right rangle left 0 right rangle cos left tfrac theta 2 right left E right rangle sin left tfrac theta 2 right left E right rangle nbsp 經過時間t之後 狀態演變為 ps t e i H t ℏ ps 0 cos 8 2 e i E t ℏ E sin 8 2 e i E t ℏ E displaystyle left psi left t right right rangle e frac i hat H t hbar left psi left 0 right right rangle cos left tfrac theta 2 right e frac iE t hbar left E right rangle sin left tfrac theta 2 right e frac iE t hbar left E right rangle nbsp 如果系統處於 E displaystyle E rangle nbsp 或 E displaystyle E rangle nbsp 之中的某一個本徵態 那麼它將會維持在同一個本徵態 然而 對於如上所示的一般初始狀態而言 時間演化並不顯然 系統在時刻t處於狀態 1 displaystyle 1 rangle nbsp 的機率幅為 1 ps t e i ϕ sin 8 2 cos 8 2 e i E t ℏ e i E t ℏ textstyle left langle 1 psi t right rangle e imath phi sin left tfrac theta 2 right cos left tfrac theta 2 right left e frac imath E t hbar e frac imath E t hbar right nbsp 系統當前處於 ps t displaystyle psi t rangle nbsp 而之後處於任意態 1 displaystyle 1 rangle nbsp 的機率為P 0 1 t 1 ps t 2 e i ϕ sin 8 2 cos 8 2 e i E t ℏ e i E t ℏ e i ϕ sin 8 2 cos 8 2 e i E t ℏ e i E t ℏ sin 2 8 4 2 2 cos E E t ℏ displaystyle begin aligned P 0 to 1 t amp langle 1 psi t rangle 2 amp e imath phi sin left frac theta 2 right cos left frac theta 2 right left e frac imath E t hbar e frac imath E t hbar right e imath phi sin left frac theta 2 right cos left frac theta 2 right left e frac imath E t hbar e frac imath E t hbar right amp frac sin 2 theta 4 left 2 2 cos left frac left E E right t hbar right right end aligned nbsp 這可以簡化為P 0 1 t sin 2 8 sin 2 E E t 2 ℏ W 2 D 2 W 2 sin 2 E E t 2 ℏ displaystyle P 0 to 1 t sin 2 theta sin 2 left frac E E t 2 hbar right frac left vert W right vert 2 Delta 2 left vert W right vert 2 sin 2 left frac E E t 2 hbar right nbsp 1 這表明 當系統最初處於狀態 0 displaystyle 0 rangle nbsp 時 該系統最終處於狀態 1 displaystyle 1 rangle nbsp 的機率是有限的 機率是以角頻率 w E E 2 ℏ D 2 W 2 ℏ displaystyle omega frac E E 2 hbar frac sqrt Delta 2 left vert W right vert 2 hbar nbsp 振盪 而w displaystyle omega nbsp 是系統唯一的玻爾頻率 又稱為拉比频率 英语 Rabi frequency 而式子 1 亦可稱為拉比公式 在時間t之後 系統處於狀態 0 displaystyle 0 rangle nbsp 的機率為 0 ps t 2 1 sin 2 8 sin 2 E E t 2 ℏ displaystyle langle 0 psi t rangle 2 1 sin 2 theta sin 2 left frac E E t 2 hbar right nbsp 同樣也是振盪形式 這些二能階系統的振盪稱為拉比振盪 在許多問題之中都會發生這種振盪 如中微子振荡 電離氫分子 英语 Hydrogen ion 量子计算 氨邁射等等 量子计算中的拉比振盪 编辑任何双态量子系统都可以用来模拟量子位元 現在考虑一个自旋1 2 displaystyle tfrac 1 2 nbsp 系统 將磁矩m displaystyle boldsymbol mu nbsp 置于经典磁场B B 0 z B 1 cos w t x sin w t y displaystyle boldsymbol B B 0 hat z B 1 left cos omega t hat x sin omega t hat y right nbsp 之中 令系统旋磁比g displaystyle gamma nbsp 因此磁矩m ℏ 2 g s displaystyle boldsymbol mu frac hbar 2 gamma boldsymbol sigma nbsp 可以給出该系统的哈密顿量H m B ℏ 2 w 0 s z ℏ 2 w 1 s x cos w t s y sin w t displaystyle mathbf H boldsymbol mu cdot mathbf B frac hbar 2 omega 0 sigma z frac hbar 2 omega 1 sigma x cos omega t sigma y sin omega t nbsp 此處w 0 g B 0 displaystyle omega 0 gamma B 0 nbsp w 1 g B 1 displaystyle omega 1 gamma B 1 nbsp 透過上述步骤 我們可以求得哈密顿量的特征值和特征向量 现在 让量子位元在t 0 displaystyle t 0 nbsp 時刻處於量子態 0 displaystyle 0 rangle nbsp 那么 在t displaystyle t nbsp 时刻 量子位元处于量子態 1 displaystyle 1 rangle nbsp 的機率為P 0 1 t w 1 W 2 sin 2 W t 2 displaystyle P 0 to 1 t left frac omega 1 Omega right 2 sin 2 left frac Omega t 2 right nbsp W w w 0 2 w 1 2 displaystyle Omega sqrt omega omega 0 2 omega 1 2 nbsp 这种现象就稱作拉比振盪 因此 量子位元會在量子態 0 displaystyle 0 rangle nbsp 和 1 displaystyle 1 rangle nbsp 之间振荡 振盪的振幅會在w w 0 displaystyle omega omega 0 nbsp 達到最大 而这即為共振条件 共振时的跃迁機率為P 0 1 t sin 2 w 1 t 2 displaystyle P 0 to 1 t sin 2 left frac omega 1 t 2 right nbsp 要从一個量子態 0 displaystyle 0 rangle nbsp 跃迁到另一個量子態 1 displaystyle 1 rangle nbsp 只需调整旋转场作用的时间t displaystyle t nbsp 滿足w 1 t 2 p 2 displaystyle frac omega 1 t 2 frac pi 2 nbsp 或是t p w 1 displaystyle t frac pi omega 1 nbsp 就充分了 这叫做 p displaystyle pi nbsp 脈衝 如果选择的时间介于0和p w 1 displaystyle frac pi omega 1 nbsp 之间 我们會得到 0 displaystyle 0 rangle nbsp 和 1 displaystyle 1 rangle nbsp 的疊加態 尤其是當t p 2 w 1 displaystyle t frac pi 2 omega 1 nbsp 的時候 我们會得到一個 p 2 displaystyle frac pi 2 nbsp 脈衝 它的作用是造成 0 0 i 1 2 displaystyle 0 rangle to frac 0 rangle i 1 rangle sqrt 2 nbsp 量子態躍遷 而這個操作在量子計算中起到至關重要的作用 当对激光场中的二能階原子进行大致满意的旋转波近似时 方程基本上是相同的 然后两个原子能階之间的能量差ℏ w 0 displaystyle hbar omega 0 nbsp w displaystyle omega nbsp 是激光波的频率 及拉比频率w 1 displaystyle omega 1 nbsp 与原子的跃迁电偶极矩d displaystyle vec d nbsp 与激光波电场E displaystyle vec E nbsp 的乘积成正比 也就是w 1 ℏ d E displaystyle omega 1 propto hbar vec d cdot vec E nbsp 總而言之 拉比振盪是用於操縱量子位元的基本過程 而這個振盪是在適當調整的時間間隔內 藉由將量子位元暴露在周期性的電場或磁場中來獲得 6 相关条目 编辑原子相干性 英语 Atomic coherence 布洛赫球面 雷射激升 英语 Laser pumping 光激升 拉比頻率 英语 Rabi frequency 拉比問題 英语 Rabi problem 真空拉比振盪 英语 Vacuum Rabi oscillation 外部链接 编辑https web archive org web 20110719095612 http www itp tu berlin de menue lehre owl quantenmechanik zweiniveau parameter en A Java applet that visualizes Rabi Cycles of two state systems laser driven https web archive org web 20110719095819 http www itp tu berlin de menue lehre owl quantenmechanik elektron phonon wechselwirkung parameter en extended version of the applet Includes electron phonon interaction Encyclopedia of Laser Physics and Technology Rabi oscillations Rabi frequency stimulated emission 2020 04 28 原始内容存档于2020 05 08 Griffiths David Introduction to Quantum Mechanics 2nd 2005 341 Sourendu Gupta The physics of 2 state systems PDF Tata Institute of Fundamental Research 27 August 2013 2020 04 28 原始内容存档 PDF 于2019 07 16 Griffiths David 2012 Introduction to Quantum Mechanics 2nd ed p 191 Griffiths David 2012 Introduction to Quantum Mechanics 2nd ed p 196 ISBN 978 8177582307 A Short Introduction to Quantum Information and Quantum Computation by Michel Le Bellac ISBN 978 0521860567 取自 https zh wikipedia org w index php title 拉比周期 amp oldid 77322135, 维基百科,wiki,书籍,书籍,图书馆,

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