光机械系统中的量子信息过程与精密测量

光机械振子系统在精密测量和验证量子力学的基本定理方面具有非常重要的应用前景。本课题研究光与机械振子相互作用的系统中如何制备纠缠态用于量子信息处理，同时如何用这个系统制备声学激光实现高精密测量。首先将研究如何在这个系统中制备机械振子之间的纠缠态，着重研究如何在相互远离的两个振子之间制备稳定的纠缠态，用于量子信息处理。为此将研究如何设计合适的结构和材料来提高振子与腔模耦合的强度，以及振子的品质因子。还将研究如何利用光机械系统实现高频率，低功率阈值的声学激光器。声学激光在固体的结构和缺陷的高精度测量等方面具有很广的应用潜力。通过本课题的研究将有助于光机械系统的实验研究和应用。

光力学系统是近年来兴起的，研究光与机械振子（声子）系统的相互作用，并利用这个相互作用来操控光子和机械振子的运动状态，及新的物理现象。光力学在宏观量子力学，精密测量和量子信息领域有重要的应用价值。在项目在资助下，我系统的研究了光力学中如何制备宏观量子态，如何实现精密测量和量子信息处理。我们的理论工作引发了广泛的关注和讨论。..为了研究宏观量子态，我们首先研究了弱磁场下带电粒子在光势阱中的运动问题。据此我们提出了一个实际可行的用离子阱实现时空晶体的理论方案。2012年麻省理工物理系的教授、诺贝尔物理奖获得者弗兰克.维尔切克（Franck Wilczek）提出时间维度可能出现自发对称性破缺，从而形成新的物态“时间晶体”。我们的工作是对其理论有力的支撑，以封面论文的形式发表在PRL上，并引发了国际物理学界广泛的关注与争议。我们的合作者据此申请到经费资助在实验上实现时空晶体。..在2013年我们提出用光束缚的纳米金刚石作为光力学系统研究宏观量子现象。纳米金刚石中有氮-空位中心，带有电子自旋。金刚石色心的电子自旋与金刚石的质心之间可以用梯度磁场来诱导出相互耦合。据我们估算在目前的实验条件下，我们可以制备金刚石质心运动Fock态以及任意叠加态。也可以用来实现宏观的薛定谔猫态。把光势阱去掉后，还可以观测物质波的干涉实验。我们的工作很快引起实验的关注，国内外有很多组已经据此在做实验，并有初步的报道。在这个理论的基础上，我们还研究了如何实现室温质谱仪。由于我们在光束缚纳米粒子方向的系统性的工作，还被邀请撰写综述，并被MIT TechnologyReview选为热点文章。..随后，我们研究了用光力学系统作为量子界面，连接光学光子与微波超导比特，实现量子态在超导比特与光子之间的转换。并用光子作为媒介，让超导比特组成量子网络。我们还研究了用光子作为冷却机制，在较高的温度下（1K）来实现超导比特的初态制备。.我还实验组合作，研究了离子阱系统中如何用依赖于自旋的力来做功，我们首次实现了对量子谐振子系统的做功进行直接测量，由此直接验证了量子Jarzynski恒等式。这个实验工作已经在《自然 物理学》上在线发表了。我也在腔QED耦合金刚石色心实现量子信息的方向上做了一些工作。