基于复合腔光力系统的机械振子冷却与量子态制备研究

Cavity optomechanics studies light-matter interaction based on the mechanical effect of light. It has broad applications in the fields of macroscopic quantum physics, quantum precision measurements and quantum information processing. At present, its application is mainly limited by the environmental thermal noise and the weak optomechanical interaction. In this project we propose to construct composite cavity optomechanical systems, so as to suppress the environmental thermal noise and enhance the optomechanical interaction. On one hand, we make use of quantum interference and state density tailoring properties to suppress the thermal noise and break through the existing cooling limits, so as to cool large-scale macroscopic mechanical oscillators to the quantum ground state, which lays the foundation for the study of macroscopic quantum properties. On the other hand, we take advantage of the eigenmode splitting and dark state coupling properties of the composite cavity optomechanical system to achieve strong cavity optomechanical nonlinearity and overcome dissipation and decoherence effects, and further prepare optical and mechanical quantum states. The research of this project will provide new insights for the further application of cavity optomechaincs in basic physics research, high precision measurement and quantum information, and it is expected to promote a series of breakthroughs in related fields.

腔光力学利用光的力学效应研究光与物质相互作用，在宏观量子物理研究、量子精密测量和量子信息处理等方面有广泛的应用前景。当前，其应用主要受限于环境热噪声的影响和较弱的腔光力相互作用。本项目提出构造复合腔光力系统，以抑制环境热噪声和增强腔光力相互作用。一方面，利用复合腔光力系统量子干涉和态密度裁剪等特性，实现对热噪声的强烈抑制，突破已有冷却极限，在边带远不可分辨条件下使大尺度宏观机械振子能冷却到量子基态，为宏观量子特性的研究奠定基础；另一方面，利用复合腔光力系统本征模分裂和暗态耦合等特性，实现较强的腔光力非线性，克服耗散和退相干的影响，并进一步用于制备光场和机械振子的量子态。本项目的研究将为腔光力学进一步应用于基础物理研究、高精密测量和量子信息等方面提供新的思路，有望促进相关领域的一系列突破。

腔光力学的研究在宏观量子物理、量子精密测量和量子信息处理等方面具有广泛的应用前景。本项目通过构造复合腔光力系统，提出了多种理论方案，能够实现超越边带可分辨极限下的机械振子基态冷却，实现光力四波混频与非线性增强，以及实现机械振子量子态的制备，取得了一系列处于国际前沿的重要研究成果，具体研究内容包括：(1) 建立描述复合腔光力系统的通用理论模型，发展了协方差演化方法对系统的主要特征物理量进行了解析和数值计算。(2) 提出超越边带可分辨极限下的机械振子基态冷却新方案，利用非线性晶体腔光力复合系统，获得腔内压缩光场，能够突破边带冷却方案存在的量子反作用极限，使得冷却极限不再受腔模耗散的影响。(3) 提出光力四波混频与非线性增强的实现方案，通过调节入射光失谐和腔模耗散，构造光力四波混频过程，有效地实现信号光的放大，从而产生显著的非线性增强效应。(4) 提出脉冲调控制备机械振子压缩态的方案，通过对腔模光场施加相空间中的旋转脉冲，调控光力相互作用，实现机械振子压缩态的制备。在本项目资助下共发表SCI论文19篇。