全量子化的方法研究光力学系统中纠缠产生、冷却及其克尔非线性

Optomechanical systems have been proposed to realize ground state cooling, macroscopic quantum states, quantum entanglement and nonlinear effects. The commonly applied linearization approach based on classical steady states is under various limits for different realistic situations such as under blue detuned or pulsed driving. Especially it is unable to provide a time-dependent process of dynamical system evolution. In this proposed research project, we will adopt a full quantum treatment for optomechanical setups as open quantum systems, attempting to find a clearer physical picture for the involved dynamical processes. We plan to study the evolutions of physical quantities with different optomechanical coupling and under continuous and/or pulsed drive of arbitrary detuning and intensity. Based on the results we will further explore the dynamical mechanism for creating optomechanical entanglement and how to obtain stable entanglement, the dynamical processes of ground state cooling and the efficient approach toward ground state cooling, the generation of Kerr nonlinearity via optomechanical systems and how to realize the Kerr nonlinearity between light fields, and the possible existence of unusual quantum noise effects and their applications. The current research may provide a new perspective to study optomechanical systems, thus deepening the understanding of the systems and helping to develop their wider applications.

光力学系统可以用于基态冷却、制备宏观量子态、量子纠缠、实现非线性效应等。常用的基于经典稳态假定的线性化方法存在诸多的限制，不能用于处理诸如蓝失谐驱动、脉冲驱动等情形，特别是无法获得系统随时间演化的动力学过程。在本项目中，我们将采用全量子化的方法重新研究最基本的开放式光力学系统，尝试给出更清晰的物理图像。我们拟研究在不同耦合强度下，任意形式(连续或脉冲)、强度、失谐量的驱动场作用下，光力学系统中各力学量的含时演化过程。由此更深入地研究系统纠缠产生的动力学过程，并探讨如何获得强且稳定的纠缠；研究系统冷却的动力学过程，并探讨如何更好地达到基态冷却；研究系统中克尔非线性的产生，并探讨如何由此来实现两光场之间的克尔非线性；研究可能存在的非寻常量子噪声效应，并寻求可能的应用。这将为光力学系统的研究提供新的视角，加深人们对这一系统的研究，并开发出更广泛的应用。

近年来，光力学系统被广泛应用于实现基态冷却，进而制备宏观量子态，用于探索经典世界与量子世界的边界问题。同时光力学纠缠的产生以及利用光力学系统实现纳米颗粒的高精度传感，也是当前国际研究的热点所在。本项目中，我们主要针对光力学纠缠产生、基态冷却和非线性特性及应用这三个方向开展研究工作，已完成预计目标，共发表学术论文12篇，其中SCI一区3篇、SCI二区5篇。培养研究生三名，赴美国阿肯色大学费耶特维尔分校进行为期一年的访问学者。.纠缠产生：研究了双腔结构中，不同失谐驱动组合下，光力学纠缠产生的特性，并由此实现两束光之间的连续变量纠缠；我们发现通过一束蓝失谐驱动光，可以在高温下产生稳定的光力学纠缠，揭示了热噪声导致的消相干与纠缠产生之间复杂的关系，显示光力学纠缠可以在超强热噪声的环境下存在。.基态冷却：从动力学过程的角度重新研究了光力学基态冷却，发现冷却极限与冷却快慢有关，并在理论上给出了新的冷却极限；研究如何使用脉冲（方波、高斯、三角波等）来冷却机械振子，发现选择合适的驱动强度、脉冲持续时间、脉冲间隔，其冷却极限可以突破连续驱动的冷却极限；探讨了如何通过双腔双驱动来更有效地冷却机械振子，其冷却极限相比单腔单驱动系统可以低一个数量级以上；.非线性特性及其应用：提出通过测量正交分量的变化来实现纳米机械粒子质量的高精度传感；研究了三体耦合腔系统中，PT对称破缺导致的非互易传输特性，证明可以用于实现有效的光学非互易结构，并以此实现光隔离器的制备；利用克尔非线性，理论上研究了多个多体控制量子幺正操作的高效实现，特别适合大规模量子计算的实现；利用克尔非线性，探讨了光学W态、加权图态的有效制备；研究了光力学系统在强驱动作用下的强非线性特性，以及利用耦合腔系统中的非线性，来实现高隔离比的非互易结构和动态声子激光。.这些研究可以为制备宏观量子态、宏观量子纠缠以及高精度测量、非互易特性研究、声子激光等提供新的途径。