相干驱动超冷原子系综的量子光力学应用

With the fast developement of advanced material manufacturing techniques, quantum optomechanics focusing on the mechanical motions of micro- and nano-devices are attracting more and more attentions. Quantum optomechanics not only provides new opportunities for detecting feable forces/fields and for observing macroscopic quantum motions, but also allows the building of novel quantum interfaces suitable for quantum information processing. In this project, we will integrate the study on quantum coherent manipulation of ultracold atoms and the study on quantum optomechanical control of micro- and nano-devicies to explore new reliable schemes for achieving ground-state cooling and quantum read-out of micro- and nano-vibration by devising a few atom-assisted hybrid optomechanical systems. The detailed contents of our research plan are two-fold as given follows. The first one: after attaining a greatly amplified and dynamically tunable radiation damping force by coherently manipulating a moving atomic lattice, we consider how to develop and optimize various schemes for realizing ground-state cooling and quantum entanglement of micro- and nano-mechanical vibrations, and how to devise novel quantum optomechanical devices based on the optical non-reciprocity. The second one: after coupling ultracold atomic ensembles with typical optomechanical cavities via the common intracavity fields, we consider how to read out and manipulate the quantum motions of micro- and nano- mechanical devices by dressing ultracold atoms with resonant laser fields, and how to modify or improve the quantum coherent control techniques of ultracold atoms, e.g. electromagnetically induced transparency, via the nonlinear feedback schemes arising from opto-mechanical vibrations.

随着先进材料加工工艺的发展，关注微纳器件机械振动的量子光力学研究正在引起越来越多的重视。它不只为精确测量微弱力/场和观测宏观量子运动提供了机遇，还允许人们构造适于量子信息处理的全新量子界面。我们拟将自身擅长的超冷原子量子相干操控研究和正在兴起的微纳器件量子光力控制研究结合，通过构造几个超冷原子辅助的混合光力系统，为解决微纳光力振动的基态冷却和量子读取等关键问题提供可靠的全新思路。具体研究内容：一是在对运动原子晶格进行量子相干操控而获得显著放大和动态可调的辐射阻尼力之后，考虑如何将其用于发展和优化微纳机械振动的基态冷却和量子纠缠实现方案，或者用于设计基于光学不互惠性的量子光力器件；二是在设法利用腔内光子将相干驱动原子和典型光力学腔耦合之后，探讨如何借助超冷原子的相干操控技术来有效读取和控制微纳机械振子的量子运动状态，或者利用微纳光力振动提供的非线性反馈机制改进电磁感应透明等量子相干操控技术。

量子光力学研究为精确测量微弱力场和观测宏观量子行为，以及构造全新量子界面提供了重要机遇。在此背景下，我们研究了典型双腔光力系统及其衍生的原子辅助光力微腔的量子相干调控，发现了基于杂化光力耦合机制的一些新奇量子现象，取得了如下三方面的工作进展。1）典型双腔光力系统的稳态光谱特性与量子同步调控：对于典型双腔光力系统，发现在对称的驱动和探测方式下，可实现相干完美吸收、相干完美透射和相干完美合束三种有趣现象；若探测方式不对称，则可通过调制强驱动光使弱探测光的吸收和色散在光力诱导透明和正则模式劈裂之间转换，实现光路由和光隔离等操控功能；通过对腔模失谐或驱动幅度进行时间调制，还可在两个间接耦合振子之间实现接近完美的经典同步和显著增强的量子同步。2）原子辅助光力微腔的动态量子调控与光子器件应用：对于嵌入多能级原子的光力学微腔，发现可实现由光力诱导透明到Fano型共振谱线或正则模式劈裂的转换，令透射光和反射光获得不同程度的群速延迟（慢光）或提前（快光）；在强驱动下还可获得对原子激发概率敏感的光谱特性，以致于弱腔场近似和低激发近似将导致不当预期；当考虑有偶极相互作用的里德堡原子时，腔内光子数和镜子位移还表现出对驱动强度敏感的双稳非线性和条件二元性。3）相干驱动超冷原子晶格的光学不互惠性调控：对N型超冷原子晶格进行关联周期调制，发现可实现光学PT对称或反对称性，进而观测到对非关联的结构无序（自关联的几何无序）鲁棒（敏感）的单向光学反射和相干完美吸收，后者由于不再要求两个反向端口输入光强相等而有助于实现弱光对强光的操控；衍射光子只出现在负角度方向或正角度方向，且可通过探测场失谐和泵浦场强度进行有效调控。上述研究成果为在基态冷却基础上寻求量子纠缠优化和高效量子读取提供了可靠思路，对于发展适于量子信息处理的新型杂化量子界面和光子功能器件也有重要意义。