【摘要】：隨著微納技術的發(fā)展,光機械系統(tǒng)以其優(yōu)越的特性成為了量子領域研究的熱點之一。光機械系統(tǒng)無論是在量子力學基本問題研究還是在量子信息處理中都有著廣闊的應用前景。它可以作為連接光子與聲子的橋梁,實現(xiàn)光學模式與機械模式之間的糾纏、壓縮以及同步,還可以作為量子轉(zhuǎn)換器和控制設備執(zhí)行光學模式和機械模式之間的信息傳遞和操控。同時它還可以利用邊帶冷卻制備振子基態(tài),利用位移耦合效應實現(xiàn)超靈敏探測以及光學相位的非破壞測量。特別是LIGO系統(tǒng)對引力波的成功探測,更是將光機械推向了一個令人矚目的焦點。在光機械系統(tǒng)的研究中,為了彌補由于光子和聲子頻率的巨大差異帶來的耦合效應弱的缺憾,一方面,人們在不斷的提高實驗手段以便提高單光子耦合率；另一方面,人們可以通過增加光機械腔內(nèi)的光子數(shù),利用光子的集體統(tǒng)計效應放大光學模式與機械模式之間的線性耦合。在馬爾科夫參數(shù)域下這一方案在實驗和理論上都得到了很好的驗證與發(fā)展。相比而言,光機械在非馬爾科夫參數(shù)域和非線性參數(shù)域下的理論工作為數(shù)不多,實驗上更是寥寥無幾。為此本文將致力于光機械系統(tǒng)在非馬爾科夫和非線性參數(shù)域下的理論研究。在非馬爾科夫而環(huán)境下,我們研究了一個基本的光機械系統(tǒng)在非馬庫中的邊帶冷卻和超靈敏探測。通過嚴格求解光機械系統(tǒng)在非馬環(huán)境下的動力學,我們發(fā)現(xiàn)振子的非馬環(huán)境因其記憶、回流效應可以提供一條額外的冷卻路徑,當這條路徑的冷卻速率高于環(huán)境的熱傳導速率,即使庫的溫度遠高于振子溫度,我們?nèi)匀荒芾铆h(huán)境冷卻振子。隨后,通過在頻域下求解光機械系統(tǒng),我們給出了在一般環(huán)境下光機械超靈敏探測設備輸出信號的形式解,經(jīng)過對比分析我們發(fā)現(xiàn),在某些有耦合結(jié)構的環(huán)境中,系統(tǒng)對外界的能量響應可以被集中在檢測信號頻率附近,從而能提高系統(tǒng)的信噪比,降低探測的附加噪聲。在非線性效應方面,我們研究了光機械系統(tǒng)的等價Kerr非線性,通過設計系統(tǒng)結(jié)構我們提出了一個利用光機械系統(tǒng)構造量子受控相位門的理論方案,此外,我們還分析了由復合光機械系統(tǒng)的自Kerr性以及量子干涉帶來的正常阻塞和反常阻塞效應,并給出了利用該效應實現(xiàn)量子二極管、單光子源以及光學存儲-釋放器的理論方案。本文對非馬爾科夫和非線性方面做出的研究對光機械系統(tǒng)的理論發(fā)展具有一定的積極意義,為光機械系統(tǒng)在基態(tài)冷卻、超靈敏探測以及量子信息處理方面的潛在應用提供了理論支持。
[Abstract]:With the development of micro and nano technology, optical mechanical system has become one of the hotspots in quantum field because of its superior characteristics. Optomechanical system has a broad application prospect in quantum mechanics and quantum information processing. It can be used as a bridge between photons and phonons to realize entanglement, compression and synchronization between optical and mechanical modes. It can also perform information transfer and manipulation between optical and mechanical modes as quantum converters and control devices. At the same time, the ground state of oscillator can be prepared by side band cooling, and the hypersensitive detection and the nondestructive measurement of optical phase can be realized by using the displacement coupling effect. In particular, the successful detection of gravitational waves by LIGO system has pushed the optical machinery to a focus of attention. In the study of optical mechanical system, in order to make up for the weak coupling effect caused by the great difference between photons and phonon frequencies, on the one hand, people are constantly improving the experimental means to improve the single-photon coupling rate; on the other hand, By increasing the number of photons in the optical mechanical cavity, the collective statistical effect of photons can be used to amplify the linear coupling between the optical mode and the mechanical mode. In Markov parameter domain, this scheme has been well verified and developed both experimentally and theoretically. In contrast, the theoretical work of optical machinery in non-Markov parameter domain and nonlinear parameter domain is few, and the experiment is even less. Therefore, this paper will focus on the theoretical study of optomechanical systems in non-Markov and nonlinear parametric domains. In a non-Markov environment, we study the side-band cooling and hypersensitivity detection of a basic optomechanical system in a non-marquee. By strictly solving the dynamics of the optomechanical system in a non-horse environment, we find that the non-equine environment of the oscillator can provide an additional cooling path because of its memory, when the cooling rate of this path is higher than the heat conduction rate of the environment. Even if the temperature of the reservoir is much higher than that of the oscillator, we can still use the environment to cool the oscillator. Then, by solving the optical mechanical system in the frequency domain, we give the formal solution of the output signal of the optical-mechanical hypersensitive detection equipment in the general environment. After comparative analysis, we find that in some environments with coupling structure, The energy response of the system to the outside world can be concentrated near the frequency of the detection signal, which can improve the signal-to-noise ratio of the system and reduce the additional noise of the detection. In terms of nonlinear effects, we study the equivalent Kerr nonlinearity of optical mechanical systems. By designing the system structure, we propose a theoretical scheme for constructing quantum controlled phase gates using optical mechanical systems. We also analyze the self-Kerr properties of the composite optomechanical system and the normal and abnormal blocking effects caused by quantum interference. The theoretical scheme of quantum diodes, single-photon sources and optical storage-release devices is presented. In this paper, the research on non-Markov and nonlinear aspects has a certain positive significance for the theoretical development of optical mechanical system, which is the ground state cooling of the optical mechanical system. The potential applications of hypersensitive detection and quantum information processing provide theoretical support.
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O413

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