Эта статья может быть слишком техническим для большинства читателей, чтобы понять. Пожалуйста помогите улучшить это к сделать понятным для неспециалистов, не снимая технических деталей.(Декабрь 2015 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)
Осцилляции Раби, показывающие вероятность двухуровневой системы первоначально в оказаться в при разных отстройках Δ.
Двухуровневая система - это система с двумя возможными уровнями энергии. Эти два уровня представляют собой основное состояние с более низкой энергией и возбужденное состояние с более высокой энергией. Если уровни энергии не вырождены (т.е.не имеют равные энергии), система может поглотить квант энергии и переход из основного состояния в «возбужденное» состояние. Когда атом (или какой-то другой двухуровневая система ) освещается когерентным пучком фотоны, он будет циклически впитывать фотоны и переизлучать их стимулированное излучение. Один из таких циклов называется циклом Раби, а обратная его продолжительность - Частота Раби фотонного пучка. Эффект можно смоделировать с помощью Модель Джейнса – Каммингса и Вектор Блоха формализм.
Подробное математическое описание эффекта можно найти на странице Проблема раби. Например, для атома с двумя состояниями (атом, в котором электрон может находиться либо в возбужденном, либо в основном состоянии) в электромагнитном поле с частотой, настроенной на энергию возбуждения, находится вероятность нахождения атома в возбужденном состоянии из уравнений Блоха быть:
,
куда - частота Раби.
В более общем плане можно рассматривать систему, в которой два рассматриваемых уровня не являются энергетическими. собственные состояния. Следовательно, если система инициализируется на одном из этих уровней, временная эволюция заставит населенность каждого из уровней колебаться с некоторой характеристической частотой, которая угловая частота[1] также известна как частота Раби. Состояние квантовой системы с двумя состояниями можно представить в виде векторов двумерной комплексное гильбертово пространство, что означает каждый вектор состояния представлен хорошими сложный координаты.
Можно построить колебание поэкспериментируйте, выполнив следующие шаги:[3]
Подготовить систему в фиксированном состоянии; Например,
Пусть государство развивается свободно, под ГамильтонианЧАС На время т
Найти вероятность P (t), что состояние находится в
Если является собственным состоянием H, P (t) = 1, и колебаний не будет. Также, если два государства и являются вырожденными, каждое состояние, включая является собственным состоянием H. В результате колебаний не будет.
С другой стороны, если H не имеет вырожденных собственных состояний и начальное состояние не является собственным состоянием, тогда будут колебания. Дается наиболее общий вид гамильтониана системы с двумя состояниями.
здесь, и настоящие числа. Эта матрица может быть разложена как,
Матрица это 2 2 единичная матрица и матрицы являются Матрицы Паули. Эта декомпозиция упрощает анализ системы, особенно в случае не зависящего от времени, когда значения и являются константами. Рассмотрим случай спин-1/2 частица в магнитном поле . Гамильтониан взаимодействия для этой системы равен
, ,
куда величина частицы магнитный момент, это Гиромагнитное соотношение и вектор Матрицы Паули. Здесь собственные состояния гамильтониана являются собственными состояниями , то есть и , с соответствующими собственными значениями . Вероятность того, что система в состоянии можно найти в произвольном состоянии дан кем-то .
Пусть система будет подготовлена в состоянии вовремя . Обратите внимание, что является собственным состоянием :
.
Здесь гамильтониан не зависит от времени. Таким образом, решая стационарное уравнение Шредингера, состояние после времени t определяется выражением , с полной энергией системы . Таким образом, состояние после времени t определяется выражением:
.
Теперь предположим, что вращение измеряется в направлении x в момент времени t. Вероятность обнаружения раскрутки определяется по формуле:
куда это характеристика угловая частота данный , где предполагалось, что .[4] Таким образом, в этом случае вероятность найти раскрутку в направлении x колеблется во времени. когда спин системы изначально находится в направление. Аналогично, если мы измеряем спин в -направление, вероятность измерения спина как системы . В вырожденном случае, когда , характерная частота равна 0 и колебания отсутствуют.
Обратите внимание, что если система находится в собственном состоянии данного Гамильтониан, система остается в этом состоянии.
Это верно даже для гамильтонианов, зависящих от времени. Взяв, например, ; если начальное состояние вращения системы , то вероятность того, что измерение спина в направлении y приведет к вовремя является .[5]
Пример колебания Раби между двумя состояниями в ионизированной молекуле водорода.
Ионизированная молекула водорода состоит из двух протонов. и и один электрон. Два протона из-за их больших масс можно считать фиксированными. Назовем R расстоянием между ними и и состояния, в которых электрон локализован вокруг или же. Предположим, что в определенный момент электрон локализован около протона. . Согласно результатам предыдущего раздела мы знаем, что он будет колебаться между двумя протонами с частотой, равной частоте Бора, связанной с двумя стационарными состояниями. и молекулы.
Это колебание электрона между двумя состояниями соответствует колебанию любого значения электрического дипольного момента молекулы. Таким образом, когда молекула не находится в стационарном состоянии, может возникнуть осциллирующий электрический дипольный момент. Такой колебательный дипольный момент может обмениваться энергией с электромагнитной волной той же частоты. Следовательно, эта частота должна присутствовать в спектре поглощения и излучения ионизированной молекулы водорода.
Вывод формулы Раби в непертурбативной процедуре с помощью матриц Паули
Рассмотрим гамильтониан вида
Собственные значения этой матрицы имеют вид
и
,
куда и , так что мы можем взять .
Теперь собственные векторы для можно найти из уравнения
.
Так
.
Применяя условие нормировки к собственным векторам, . Так
.
Позволять и . Так .
Итак, мы получаем . То есть . Взяв произвольный фазовый угол , мы можем написать . по аналогии .
Итак, собственный вектор для собственного значения дан кем-то
.
Поскольку общая фаза несущественна, мы можем написать
.
Аналогично, собственный вектор для собственной энергии
является .
Из этих двух уравнений мы можем написать
и .
Предположим, система запускается в состоянии вовремя ; то есть,
.
По истечении времени т, государство развивается как
.
Если система находится в одном из собственных состояний или же , он останется в том же состоянии. Однако для общего начального состояния, как показано выше, эволюция во времени нетривиальна.
Амплитуда вероятности нахождения системы в момент времени t в состоянии дан кем-то .
Теперь вероятность того, что система в состоянии окажется в произвольном состоянии
дан кем-то
Это можно упростить до
.........(1).
Это показывает, что существует конечная вероятность найти систему в состоянии когда система изначально находится в состоянии . Вероятность колеблется с угловой частотой , которая представляет собой просто уникальную частоту Бора системы и также называется Частота Раби. Формула (1) известна как Раби формула. Теперь по прошествии времени t вероятность того, что система в состоянии дан кем-то, который также является колебательным.
Любую квантовую систему с двумя состояниями можно использовать для моделирования кубит. Рассмотрим вращение - система с магнитным моментом помещенный в классическое магнитное поле . Позволять быть гиромагнитное отношение для системы. Таким образом, магнитный момент . Гамильтониан этой системы тогда определяется выражением куда и . Можно найти собственные значения и собственные векторы этого гамильтониана описанной выше процедурой. Теперь пусть кубит находится в состоянии вовремя . Затем, в свое время , вероятность его нахождения в состоянии дан кем-то куда . Это явление называется колебанием Раби. Таким образом, кубит колеблется между и состояния. Максимальная амплитуда колебаний достигается при , что является условием резонанс. В резонансе вероятность перехода определяется выражением . Уйти из штата заявить достаточно настроить время во время которого вращающееся поле действует так, что или же . Это называется пульс. Если промежуточное время между 0 и выбирается, получаем суперпозицию и . В частности для , у нас есть импульс, который действует как: . Эта операция имеет решающее значение в квантовых вычислениях. Уравнения по существу идентичны в случае двухуровневого атома в поле лазера, когда используется обычно хорошо удовлетворяемое приближение вращающейся волны. потом представляет собой разность энергий между двумя атомными уровнями, - частота лазерной волны и Частота Раби пропорциональна произведению электрического дипольного момента перехода атома и электрическое поле лазерной волны, которая . Таким образом, колебания Раби - это основной процесс, используемый для манипулирования кубитами. Эти колебания достигаются путем воздействия на кубиты периодических электрических или магнитных полей в течение подходящих временных интервалов.[6]