基于光力学系统的量子网络研究

Quantum entanglement is a distinct feature for quantum physics different from classical and is the central resource for quantum network. Due to its wide range from microscopic size to macroscopic one (for example nanometers to centimeters) and high-quality factors, mechanical device is now at the verge of becoming a new entry to prepare quasi-macroscopic quantum states and carry out quantum tensors and quantum transducers. The coupling between quantum light and mechanical resonators via radiation pressure makes the generation, control and manipulation of mechanical states possible via the toolbox of quantum optics. With the use of high-quality optical microcavities, the strong coupling between light field and mechanical modes may be obtained, making the advantages of mechanical devices fully utilized. Spin qubits and other static ones are ideal candidates for quantum information storage. The project will use cavity-optomechanical system and static qubits, and then design appropriate interaction models to entangle remote quantum processing nodes more conveniently and robust against the dissipation from external environments in order for quantum networks. Finally, numerical simulation results are gained by the combination of the laboratory technical parameters, which provide theoretical guidance and reliable reference to the experiment.

量子纠缠是量子力学的一个重要特征，也是构建量子网络的核心量子资源。由于宽尺寸覆盖和高品质因子的特点，力学设备在宏观量子特性研究、量子传感器和变换器等方面有着重要的作用。光和力学设备通过光辐射压力相互耦合，使得力学模的量子态操控可以借助成熟的量子光学工具来完成。随着高品质光学微腔的使用，光和力学模的相互作用强度进入强耦合区域，使得力学设备的优点可以得到充分的发挥。自旋比特等是理想的量子信息存储器之一，借助可移动镜子的F-P腔等腔光力学模型，可以实现自旋比特等局域处理节点的远距离量子纠缠。本项目拟以腔光力学系统和自旋比特的耦合为研究对象，构建合适的相互作用模型，提出操作简便，抗环境噪声能力较强的量子网络构建方案，并结合当前的实验技术参数进行计算机模拟，为付诸实验提供指导和参考。

随着实验和理论的不断发展，光力学系统成为了最近几年的研究热点。由于尺度横跨微观、介观和宏观领域，腔光力学被广泛用于实现量子测量、量子存储、量子-经典对应、单光子源（单声子源）等理论和实验研究。本项目主要聚焦于基于腔光力学实现光子和光子、光子和振子、光波和微波光子量子关联（纠缠），以及量子网络的构建等研究。在这三年的研究中，我们课题组取得的主要成果如下：.1、通过探索力学振子同时与光波和微波领域的光子相互作用，我们实现了光学波段和微波波段的光子量子关联，为量子信息在不同介质中的传输提供了一定的理论依据，同时该方案也可以用于探索光子、振子、微波光子间的量子纠缠打下一定的基础。.2、基于光力学系统，我们通过探索了光学微腔频率和力学振子的位移平方耦合，发现单光子和振子间的非线性相互作用在腔场的作用下显著增强，使得在单光子耦合系数比腔泄漏率小得多时，单光子的非线性性质依然可实现；在强耦合和稀释边带条件下，单光子的非线性性质对力学振子的热噪声是鲁棒的，并可实现光子阻塞效应和光子诱导隧穿效应，为单光子源的提供了一定的理论依据。.3、多体多能级量子纠缠态是实现量子网络和分布式量子计算等的重要量子资源。量子单态是一种总自旋为零的多体多能级量子纠缠态，是解决“N个陌生人”等一些无经典解的量子问题的关键量子资源。本项目中，我们分别基于光纤-光学微腔-原子系统和囚禁离子系统，并利用绝热演化技术实现三体三能级量子单态的制备。方案中，我们首先制备一个两体二能级量子单态（即EPR对），而后将另外一个分离的原子（离子）与该量子单态相互作用，并控制激光拉比频率，从而将原子（离子）制备到三体三能级量子单态，同时使得光子（声子）始终处在真空态，从而有效地降低环境噪声对系统的影响。最后，我们将该方法应用到N体N能级（N大于等于3）的量子单态制备。方案中，我们基于里德堡原子阻塞效应和绝热演化技术实现量子单态的制备。量子单态的制备研究为构建量子网络奠定了一定的基础。.4、噪声影响是量子光学和量子信息不可逾越的一道障碍。本项目，通过光和V+阶梯型四能级原子的相互作用，我们探索了探测光的振幅噪声特性，得到了探测光的振幅噪声在AT分裂和EIT的带宽和压缩特性，为将来量子网络的噪声打下了坚实的基础。.总之，我们希望我们的研究成果能够为量子网络的构建提供一定的理论依据。