混合光机械系统中光子和声子的调控及量子效应研究

Optomechanical systems, consisting of a cavity and a mechanical resonator, is one of the most popular quantum systems at present. In past decade, such a standard optomechanical system has been widely studied and now it is in its bottleneck period. However, the rising hybrid quantum systems open a new way for study in optomechanical systems. At this stage, hybrid optomechanical systems have successfully attracted much attention from theoretical and experimental researchers, especially for introducing a stable and easy manipulation degree of freedom. Among various quantum systems, artificial atoms are good choice because of their stable energies and easy manipulation. Under such a background, three points will be explored in the project: (1) How to manipulate the photons and phonons in optomechanical systems by the artificial atom, and studying the novel quantum effects in optomechanical systems induced by the artificial atom; (2) How to take advantage of the nonlinearity of the artificial atom to enhance the single-photon radiation pressure; (3) How to affect the intrinsic nonlinearity of the optomechanical system by introducing artificial atoms. The applicants expect that the research results can be used to design quantum devices such as single- or two-photon switch and single-photon resource. These devices have very important applications in quantum information, quantum computation and all-optical circuits.

由谐振腔和机械振子组成的光机械系统是目前最为热门的量子系统之一。在过去十年内，这种标准的光机械系统已经被大量研究且目前已经进入瓶颈阶段。然而，混合量子系统的崛起为光机械系统的持续研究打开了一个崭新的大门。现阶段，混合光机械系统已经成功吸引了理论和实验研究人员的关注，尤其是在光机械系统中引入稳定且易于调控的自由度。在众多量子系统中，人工原子正是由于其具有稳定的能级和易于调控等特性备受青睐。在这样的背景下，本项目拟展开如下三方面的研究：（1）研究人工原子是如何对光机械系统中光子和声子进行调控的以及调控带来的新奇量子效应；（2）如何利用人工原子的非线性来增强光机械系统的单光子辐射压力；（3）研究人工原子的引入对光机械系统固有非线性的影响。本项目的研究结果期望可以用来设计单光子或双光子开关和单光子源等量子器件。这些器件在量子信息、量子计算和全光电路等领域都有着非常重要的潜在应用。

由于在精密测量、非线性光学以及引力波探测等方面的潜在应用，混合光机械系统目前正备受国际上理论和实验物理学家的关注。然而，单光子水平下的光机械耦合强度在目前大多数实验条件下仍然很弱，这就限制了光机械系统的本身非线性方面的优势。为此，我们研究了如何在光机械与金刚石色心系综混合系统中实现单光子水平下强的光机械耦合。通过我们的研究，我们发现该耦合强度可以被有效地提高三个数量级，为进一步研究光机械系统中的光子阻塞、非经典量子态制备提供了基本条件。另外，光机械系统在强驱动作用下可以转化为多光子与声子的双线性耦合。由此耦合可以导致两个极化子产生。当光机械耦合强度达到特定值时，低频率极化子将会展现量子临界效应。于是我们提出利用光机械系统这种临界效应来有效地实现两个金刚石色心自旋的间接强耦合，数值模拟表明这种强耦合允许自旋间量子态的传送。因此我们的方案为实现固态量子信息处理提供了一种新的路径。近年来，非厄密系统展现的奇异点现象有助于提高精密测量灵敏度，因此备受科学家们关注。随着奇异点阶数的增加，测量灵敏度将被进一步提高。然而高阶奇异点一般要求体系具有很好的扩展性以及可控性。幸运地是，光机械系统刚好可以很好地满足这两个要求。当考虑环境作用后，光机械系统就成为了非厄密系统。与以往不同的是，我们提出的三模式光机械系统只需要满足赝厄密性，不需要满足宇称-时间对称性时就可以展现出二阶和三阶奇异点，这大大放宽了实验上的观测条件。当然，考虑机械振子是有增益时，我们提出的三模光机械系统将近似满足宇称-时间对称性，同样可以观测到二阶和三阶奇异点。这表明赝厄密的多模式光机械系统可以用来提高精密测量的灵敏度。