【摘要】：腔光力學(xué)探索了光腔與機(jī)械振子之間的輻射壓力耦合。在過去的二十年間,這一領(lǐng)域引起了人們的廣泛關(guān)注,并取得了很多成就,包括冷卻機(jī)械振子到運(yùn)動(dòng)基態(tài)、光力誘導(dǎo)透明、簡(jiǎn)正模式分裂以及量子態(tài)轉(zhuǎn)換等。注意到大多數(shù)成就的取得,都是通過將光力相互作用線性化得到的,本質(zhì)上是因?yàn)楫?dāng)前實(shí)驗(yàn)上能夠?qū)崿F(xiàn)的單光子光力耦合強(qiáng)度非常弱。因此,亟需增強(qiáng)光力耦合達(dá)到單光子強(qiáng)耦合機(jī)制,即單光子水平上的光力耦合強(qiáng)度超過系統(tǒng)的衰減。在此機(jī)制下,可以揭示很多有意思的非線性量子效應(yīng),例如光子阻塞現(xiàn)象、光場(chǎng)和機(jī)械振子宏觀非經(jīng)典態(tài)的制備以及多聲子邊帶等。重要的是,這些效應(yīng)可以加深對(duì)單光子水平上光子-光子以及光子-聲子之間相互作用的理解,在量子信息處理、量子測(cè)量以及全光量子計(jì)算中有著重要的應(yīng)用。另一方面,隨著納米制造技術(shù)的提高以及微納機(jī)械器件的發(fā)展,光力相互作用可以在許多不同的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。此外,光力系統(tǒng)可以和許多其它的量子系統(tǒng)相結(jié)合形成混雜的量子系統(tǒng),這樣的混雜系統(tǒng)為研究光子、聲子與物質(zhì)的相互作用提供了有力的平臺(tái),并且具備多任務(wù)處理的能力。因此,它在混雜的量子網(wǎng)絡(luò)中有著潛在的應(yīng)用。基于以上兩方面,我們提出了相關(guān)方案來增強(qiáng)光力耦合強(qiáng)度,研究了光力系統(tǒng)中的少光子非線性效應(yīng),包括光子阻塞、光場(chǎng)的多分量薛定諤貓態(tài)以及光子與聲子的互克爾非線性。此外,我們也對(duì)混雜系統(tǒng)中的聲子阻塞效應(yīng)進(jìn)行了研究。主要工作包括以下三方面:1.我們提出了利用調(diào)制的方法實(shí)現(xiàn)光力系統(tǒng)非線性量子機(jī)制的方案。在我們所考慮的受到調(diào)制的光力系統(tǒng)中,機(jī)械振子的彈性常數(shù)以及初始的光力耦合受到周期性的調(diào)制。通過將彈性常數(shù)調(diào)制誘導(dǎo)的力學(xué)參量放大以及對(duì)耦合的調(diào)制相結(jié)合,共振的光子與聲子的相互作用可以被有效的增強(qiáng)到單光子強(qiáng)耦合機(jī)制。此外,由力學(xué)參量放大誘導(dǎo)的放大的聲子熱噪聲,可以通過引入一個(gè)聲子的壓縮真空庫(kù)來抑制。當(dāng)壓縮真空庫(kù)的相位與參量放大的相位相匹配時(shí),放大的聲子熱噪聲可以被完全的消除。這使得在一個(gè)弱耦合的光力系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了光子阻塞效應(yīng)以及腔場(chǎng)的非經(jīng)典態(tài)(例如薛定諤貓態(tài))。這項(xiàng)研究提供了一種有希望的路徑來增強(qiáng)光力系統(tǒng)的量子非線性,在現(xiàn)代量子科學(xué)中具有潛在的應(yīng)用。2.我們提出了能夠顯著增強(qiáng)光子與聲子之間的互克爾非線性的方案。具體來說,我們?cè)谝粋�(gè)二次耦合的光力系統(tǒng)中考慮了雙光子參量驅(qū)動(dòng)。利用參量驅(qū)動(dòng)誘導(dǎo)的壓縮以及內(nèi)稟的非線性相互作用,在合適的系統(tǒng)參數(shù)條件下,可以得到顯著增強(qiáng)的光子-聲子的互克爾非線性項(xiàng)。此外,壓縮腔模的噪聲,可以通過引入一個(gè)相關(guān)相位與參量驅(qū)動(dòng)的相位相匹配的寬頻壓縮真空庫(kù)來進(jìn)行完全的抑制。在增強(qiáng)的互克爾非線性以及抑制噪聲的情況下,我們?cè)谝粋�(gè)初始處于弱耦合的光力系統(tǒng)中,說明了實(shí)現(xiàn)聲子數(shù)的量子非破壞性測(cè)量的可行性。我們也研究了光子與聲子之間的反關(guān)聯(lián)效應(yīng)以及阻塞現(xiàn)象。原則上,這樣的現(xiàn)象提供了一種可能性,執(zhí)行光子與聲子間的操縱。這些操縱可以應(yīng)用于量子信息處理以及混雜的量子網(wǎng)絡(luò)中。3.我們?cè)谟蒒V自旋和機(jī)械振子組成的混雜系統(tǒng)中研究了聲子阻塞效應(yīng)。在該系統(tǒng)中,由二階磁場(chǎng)梯度誘導(dǎo)的NV與機(jī)械運(yùn)動(dòng)之間的耦合,會(huì)產(chǎn)生雙聲子J-C型的非線性相互作用。這種相互作用能夠允許在強(qiáng)耦合機(jī)制下實(shí)現(xiàn)聲子阻塞效應(yīng)。另外,我們也研究了系統(tǒng)參數(shù)對(duì)聲子統(tǒng)計(jì)特性的影響,并基于當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)條件,說明了該方案的可行性。這項(xiàng)工作擴(kuò)展了使用混雜系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聲子的量子控制的前景,為發(fā)展新型的量子器件提供了可能。綜上所述,本文主要研究了如何增強(qiáng)光力系統(tǒng)的量子非線性以及相關(guān)量子效應(yīng)的實(shí)現(xiàn),也對(duì)混雜系統(tǒng)中的量子效應(yīng)進(jìn)行了研究。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O431.2

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本文編號(hào)：2678999