量子混杂系统中冷却机械振子

发布时间：2020-04-01 17:59

【摘要】：在物理上,量子是物理实体之间相互作用的最小单位。基本观念里面可以“被量子化”的物理特性是“量子化假设”,这意味着物理特性的幅度只会以由一个或者多个量子化单位呈现出来。在微观世界,光子是光的量子化单位(或者是其他任何形式的电磁辐射的基本单位),因此可以被认为是“光量子”。同样地,束缚在原子上的电子的能量也是量子化的,并且只能在特定的离散能级存在。原子和物质通常处于稳定的状态,这是因为电子只能处于原子的特定离散能级。量子化是量子力学中的一个更加宽广的物理学概念,将能量量子化讨论对能量和物质相互作用的影响(也就是量子电动力学)是理解和描述自然的基本框架的一部分。在宏观领域,量子是指一个宏观物体的量子现象不被热力学噪声所掩盖,并且具有较长的相干时间。这种物体通常是指力学系统,尤其是机械振子。机械振子被认为是研究宏观量子力学行为的理想选择。我们首先要做的事情是冷却机械振子,减小它的热力学噪声和其他噪声,从而让量子行为可以被观测到,而不会被热力学和其他噪声所隐藏。本论文主要分为四个部分:在第一章,我们主要介绍了量子机械振子和机械振子的量子化描述。我们同时也介绍了量子混杂系统和玻色-爱因斯坦凝聚冷原子的基本知识。在第二章,我们主要介绍了四种冷却方法,分别是利用稀释制冷机来冷却机械振子,反馈冷却,边带冷却和反作用冷却。第三章是我们的主要工作,我们介绍了磁约束87Rb原子的超精细结构并把其中一些子能级简化为一个二能级系统。通过耦合输出的原子可与为原子激光输出类比,我们把原子激光主方程用到了这个冷却方法上。通过计算,我们得到这种冷却方法的机械振子的平均稳态声子数的解析解。通过代入一些实验参数,我们描绘了这种冷却可以达到的温度和机械振子的平均稳态声子数,同时我们也探究了可以被冷却到量子基态的机械振子的初始温度的范围。第四章是对本文的总结。我们期待随着原子芯片和微纳结构机械振子加工和调控的迅猛发展,这种冷却方法可以在实验上得以实现。
【图文】：

振子,质量,微盘,微环

第１章绪邋论逡逑（ｅ）悬浮式薄膜（Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ邋ｍｅｍｂｒａｎｅ）［１７】；（ｆ）混杂光力系统（Ｏｐｔｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ邋ｓｙｓ－逡逑ｔｅｍ）［１８］；邋（ｇ）微环圈（Ｍｉｃｒｏｔｏｒｏｉｄ）［１９］；邋（ｈ）半导体微盘振子（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ邋ｍｉｃｒｏｄｉｓｋ逡逑ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）［２Ｑ］，邋（ｉ）叠层微观机械振子（Ｄｏｕｂｌｅ－ｄｉｓｋ邋ｍｉｃｒｏｒｅｎｏｎａｔｏｒ）丨２１】。质量在邋ｆｇ邋和逡逑ｚｇ之间的机械振子如图１．２所示。逡逑

示意图,自旋,离子,原子

第１章绪邋论逡逑量子机械振子混杂系统是指由机械振子和一些量子比特两部分系统组成，这逡逑些量子比特主要由原子，束缚离子或者自旋组成，如图１．３所示。除了原子，束缚逡逑（ａ）逦Ｏｐｔｉｃａｌ邋ｐｏｔｅｎｔｉａｌ逦（ｂ）逦蠢邋Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ邋ｗｉｔｈ逡逑Ｔｒａｐｐｅｄ邋ａｔｏｍｓ逦Ｉ逦Ｔｒａｐｐｅｄ邋ｉｏｎｓ邋＾＾逡逑（Ｃ）逦ｎ邋，逦（ｄ）逦＾逦□，逡逑Ｃｈａｒｇｅ邋ｓｅｎｓｏｒ邋Ｑｕａｎｔｕｍ邋ｄｏｔｓ逦Ｓｄ＊．逡逑＾邋Ｃａｒｂｏｎ邋＾逦＾逡逑图１．３原子，束缚离子和自旋的比特示意图ｌ３１ｌ。（ａ）光晶格束缚原子，（ｂ）平面束缚离子，逡逑（ｃ）静电规范下的量子点，（ｄ）金刚石的氮空位色心（ＮＶ色心）。逡逑离子和自旋外，量子比特还有超导量子比特（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ邋ｑｕｂｉｔｓ）。超导量子逡逑比特是以约瑟芬结为基础的宏观电路，使用温度在十几ｍＫ左右。虽然他们不是逡逑微观尺寸但是仍然具有量子力学行为，因此相当于提供了一个在宏观尺度下观察逡逑量子相干性的窗口。与由ＬＣ电路组成的普通电路相比
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O413

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