We study manipulation of cavity fields via interaction between a cavity field and atoms. Firstly, we give theoretical analysis of a cavity field which interacts with a four-level double-$\Lambda$ atom. While the cavity field interacts with two atomic transitions, two other atomic transitions are driven by two classical fields. It is found that our system always works as a phase sensitive linear amplifier with no window for a phase insensitive linear amplifier. We also show that the system behaves as a two-photon correlated emission laser under certain conditions.
Secondly, theoretical analysis is given of an experimental scheme that can perform individual photon operations such as the photon annihilation operation $\alpha$, creation operation $a^{\dag}$ and commutation operation $\alpha\alpha^{\dagger}$-$\alpha\alpha^{\dagger}$, utilizing atom-cavity field interactions and conditional measurements. In order for the scheme to perform the desired photon operation, the atom-cavity field interaction times are generally required to be sufficiently short that photon annihilation and/or creation are dominated by the one-half Rabi cycle process. Such short interaction times, however, lead inevitably to a low success probability of the scheme. It is shown that this problem of low success probability can be overcome by preparing the cavity field in a superposition of a small number(two) of Fock states and choosing the interaction times appropriately. We also address the problem of validating the value of the commutator for which we can assume $[$\alpha,\alpha^{\dagger}$]=$\It{K}$$. We present a scheme to determine the value of $\It{K}$ using the interaction of an initially excited two level atom with the cavity field and the conditional probability for the atom to remain excited after the interaction.
빛과 상호작용하는 원자의 내부 상태를 조절해주거나 혹은 원자들을 조건적으로 측정함으로써 빛의 특성을 조절하는 방법을 연구하였다. 첫 번째로, 미약한 신호를 측정할 경우 대개 증폭 과정이 선행되는데 양자역학의 불확정성 원리는 입력 신호의 증폭의 대가로 입력 신호의 잡음을 증폭할 뿐 아니라 일반적으로 추가 잡음을 부과한다. 충분히 큰 신호의 경우 신호 대 잡음비가 충분히 크다면 이러한 제약이 큰 문제가 되지 않지만 중력파와 같이 아주 미세한 신호의 경우는 증폭 과정에서 증폭기의 특성에 따라 더해진 추가 잡음이 문제가 될 수 있다. 선형 증폭기는 출력 신호가 입력 신호에 선형 함수로 주어지는 경우이며, 입력 신호의 잡음이 위상에 무관할 때 출력 신호의 크기와 잡음도 또한 위상에 무관할 경우를 위상 비감응 증폭기라고 하고 그 외의 경우를 위상 감응 증폭기라고 한다. 네 개의 내부 상태를 가진 한 개의 원자가 두 쌍의 내부 상태 사이의 전이는 두 개의 고전적으로 취급될 수 있는 장들과 상호작용하면서 동시에 나머지 두 쌍의 내부 상태의 전이는 하나의 공동 장과 상호작용할 때의 공동 장을 이론적으로 분석하였다. 이 계는 항상 위상 감응 증폭기로서만 작동하며 또한 원자의 내부 상태들 사이의 간섭성을 두 개의 고전장들을 조절해줌으로써 이광자 상관자발방출레이저로도 작동할 수 있다.
두 번째로, 두 개의 내부 상태를 가진 원자를 공동 장과 공명 상호작용시킨 뒤 바닥상태나 들뜬상태로 측정함으로써 공동 장에 생성연산자, 소멸연산자 그리고 보존 교환자 등의 광자 연산자를 가하는 방법을 이론적으로 분석하였다. 들뜬상태로 들어간 원자가 바닥상태로 측정되었을 때 원자의 에너지는 공동 장으로 전달되며, 일반적인 상호작용 시간의 경우 광자를 주고받는 과정들이 모두 중첩된 형태로 공동 장에 작용이 가해지게 되나 상호작용 시간과 상호작용 상수 및 공동 장의 평균 광자수의 곱이 아주 작을 경우 공동장은 근사적으로 생성연산자가 가해진 상태가 된다. 반대로 바닥상태에 준비된 원자가 상호작용 뒤 들뜬상태로 측정되었을 경우는 근사적으로 공동장에 소멸연산자가 가해질 수 있다. 또한 얽힘 상태로 준비된 두 개의 원자와 들뜬상태의 원자를 이용하여 양자 광학의 근본적인 관계식인 보존 교환자 연산을 구현하는 방법을 제안하였다. 위의 방법들은 아주 짧은 상호작용 시간으로 인해 성공확률이 몹시 낮으나, 공동 장이 몇 개의 Fock 상태의 중첩만으로 이뤄져있을 경우 더 큰 확률을 얻을 수 있는 방법을 제안하였다. 그리고 보존 교환 관계식의 값이 1인지를 알아보기 위해 들뜬상태의 원자를 통과시킨 뒤 다시 들뜬상태에 있을 확률을 측정함으로써 보존 교환 관계식의 값을 측정하는 방법을 제안하였다.
