耦合光力系统中弱光力耦合条件下的光子阻塞效应研究

The study on the non-classical properties of the photons in optomechanical systems becomes a research focus in quantum optics and quantum information. It has been shown that photon blockade can be obtained in the standard optomechanical systems under the combined resolved sideband and single-photon strong coupling condition. However, the strong optomechanical coupling at the single-photon level is beyond the reach of current experiments. On that account, in this project, we will investigate the photon statistics of coupled optomechanical systems and make a systematical and deep study on how to demonstrate photon blockade under weak optomechanical coupling condition by quantum interference. We will establish the theoretic model of coupled optomechanical systems, investigate the photon blockade in various coupled optomechanical systems, and discuss the effects of the external environment on the photon blockade. We want to reveal the origin of photon blockade under weak optomechanical coupling condition, uncover the reasons for the suppression of average photon numbers and time scale for strong photon antibunching, and propose a feasible experiment scheme for observing photon blockade in the coupled optomechanical systems. This project will deepen our knowledge of the non-classical properties of the photons in optomechanical systems and lay a solid theoretical foundation for the realizing of new single photon sources based on optomechanical systems.

光力系统中光子的非经典特性研究已经成为量子光学和量子信息领域的研究热点之一。已有研究表明在同时满足边带可分辨和单光子强光力耦合条件下，标准光力系统中会出现光子阻塞效应。但是目前实验上实现单光子强光力耦合非常困难。有鉴于此，本项目拟开展耦合光力系统中光子的统计性质研究，系统深入探索如何利用量子干涉效应在弱光力耦合条件下实现光子阻塞效应。我们将建立耦合光力系统理论模型，研究各类耦合光力系统中的光子阻塞效应，讨论外部环境对光子阻塞效应的影响。我们希望阐明弱光力耦合条件下出现光子阻塞效应的物理机制，揭示限制平均光子数以及光子反聚束关联时间的主要原因，提出观测耦合光力系统中光子阻塞效应的切实可行的实验方案。本项目研究将有利于加深对光力系统中光子非经典特性的认识，为实现基于光力系统的新型单光子源奠定理论基础。

光力系统中光子和声子的非经典特性研究已经成为量子光学和量子信息领域的研究热点之一。已有研究表明在同时满足边带可分辨和单光子强光力耦合条件下，标准光力系统中会出现光子/声子阻塞效应。但是目前实验上实现单光子强光力耦合非常困难。有鉴于此，本项目研究了不同耦合光力系统及其与二能级系统混合系统中光子/声子的统计性质研究，系统深入探索实现光子/声子阻塞效应的各种理论方案。具体而言，我们研究了多模光力系统中声子的统计性质，发现可以通过调节驱动场强度比值或者相位差实现可调单声子源；提出将传统光子/声子阻塞与非传统光子/声子阻塞结合，从而可以获得兼顾两者优点的光子/声子阻塞效应；提出利用光力耦合实现声子阻塞间接测量方案；提出在平方耦合光力系统中实现光子-声子关联阻塞和反关联阻塞效应的理论方案；提出在光腔-原子-机械振子混合系统中利用原子-光子-声子三体相互作用产生单个纠缠光子-声子对的理论方案；提出在平方耦合回音壁模式光力系统中利用定向非线性相互作用实现光子非互易阻塞传输的理论方案。这些研究成果有利于加深人们对光子/声子非经典统计性质的认识，为实现基于光力作用的新型单光子/声子源奠定理论基础。此外，我们还研究了耦合谐振腔阵列波导中光子的传输特性，提出了利用时间反演对称破缺实现单光子非互易传输和非互易频率转换的理论方案；提出了利用光力非线性作用在三模光力系统中实现强场非互易传输的理论方案；建立了双声子交换相互作用玻色约瑟夫森结理论模型，并提出了基于多模平方耦合光力系统的实验实现方案；提出利用量子干涉效应有效调控光学分子中的光场分布等。这些成果不仅拓展了本项目预定的研究范围，也为后续研究打下了坚实的基础。