光力系统中少光子非线性效应的研究

发布时间：2020-05-24 21:12

【摘要】：腔光力学探索了光腔与机械振子之间的辐射压力耦合。在过去的二十年间,这一领域引起了人们的广泛关注,并取得了很多成就,包括冷却机械振子到运动基态、光力诱导透明、简正模式分裂以及量子态转换等。注意到大多数成就的取得,都是通过将光力相互作用线性化得到的,本质上是因为当前实验上能够实现的单光子光力耦合强度非常弱。因此,亟需增强光力耦合达到单光子强耦合机制,即单光子水平上的光力耦合强度超过系统的衰减。在此机制下,可以揭示很多有意思的非线性量子效应,例如光子阻塞现象、光场和机械振子宏观非经典态的制备以及多声子边带等。重要的是,这些效应可以加深对单光子水平上光子-光子以及光子-声子之间相互作用的理解,在量子信息处理、量子测量以及全光量子计算中有着重要的应用。另一方面,随着纳米制造技术的提高以及微纳机械器件的发展,光力相互作用可以在许多不同的系统中实现。此外,光力系统可以和许多其它的量子系统相结合形成混杂的量子系统,这样的混杂系统为研究光子、声子与物质的相互作用提供了有力的平台,并且具备多任务处理的能力。因此,它在混杂的量子网络中有着潜在的应用。基于以上两方面,我们提出了相关方案来增强光力耦合强度,研究了光力系统中的少光子非线性效应,包括光子阻塞、光场的多分量薛定谔猫态以及光子与声子的互克尔非线性。此外,我们也对混杂系统中的声子阻塞效应进行了研究。主要工作包括以下三方面:1.我们提出了利用调制的方法实现光力系统非线性量子机制的方案。在我们所考虑的受到调制的光力系统中,机械振子的弹性常数以及初始的光力耦合受到周期性的调制。通过将弹性常数调制诱导的力学参量放大以及对耦合的调制相结合,共振的光子与声子的相互作用可以被有效的增强到单光子强耦合机制。此外,由力学参量放大诱导的放大的声子热噪声,可以通过引入一个声子的压缩真空库来抑制。当压缩真空库的相位与参量放大的相位相匹配时,放大的声子热噪声可以被完全的消除。这使得在一个弱耦合的光力系统中实现了光子阻塞效应以及腔场的非经典态(例如薛定谔猫态)。这项研究提供了一种有希望的路径来增强光力系统的量子非线性,在现代量子科学中具有潜在的应用。2.我们提出了能够显著增强光子与声子之间的互克尔非线性的方案。具体来说,我们在一个二次耦合的光力系统中考虑了双光子参量驱动。利用参量驱动诱导的压缩以及内禀的非线性相互作用,在合适的系统参数条件下,可以得到显著增强的光子-声子的互克尔非线性项。此外,压缩腔模的噪声,可以通过引入一个相关相位与参量驱动的相位相匹配的宽频压缩真空库来进行完全的抑制。在增强的互克尔非线性以及抑制噪声的情况下,我们在一个初始处于弱耦合的光力系统中,说明了实现声子数的量子非破坏性测量的可行性。我们也研究了光子与声子之间的反关联效应以及阻塞现象。原则上,这样的现象提供了一种可能性,执行光子与声子间的操纵。这些操纵可以应用于量子信息处理以及混杂的量子网络中。3.我们在由NV自旋和机械振子组成的混杂系统中研究了声子阻塞效应。在该系统中,由二阶磁场梯度诱导的NV与机械运动之间的耦合,会产生双声子J-C型的非线性相互作用。这种相互作用能够允许在强耦合机制下实现声子阻塞效应。另外,我们也研究了系统参数对声子统计特性的影响,并基于当前的实验条件,说明了该方案的可行性。这项工作扩展了使用混杂系统实现声子的量子控制的前景,为发展新型的量子器件提供了可能。综上所述,本文主要研究了如何增强光力系统的量子非线性以及相关量子效应的实现,也对混杂系统中的量子效应进行了研究。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O431.2

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