超强耦合腔光力学的全光量子模拟

来源 :湖南师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:Garyzhaoqi
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如何发现及观测少光子光力效应是腔光力学领域中一个十分重要的研究课题。目前已经发现的少光子光力效应主要包括光子阻塞、声子边带谱和宏观量子叠加态制备。这些重要物理现象的产生基于电磁场和力学振子之间的辐射压力相互作用。虽然少光子光力效应吸引了腔光力学领域中同行的广泛关注,但是当前的实验系统还没有观测到少光子光力效应,其主要原因是单光子光力耦合强度太弱以致于它产生的物理效应无法从系统的量子噪声中分辨出来。因此,单光子强耦合的物理实现仍然是腔光力学领域中的一个巨大挑战,那么提出实验可行的方案来实现单光子强耦合光力相互作用将对本领域的发展有着巨大的推动作用。量子模拟最重要的动机之一是利用实验上可实现的系统来模拟实验上不可实现的物理系统,基于此思想的启发,本文提出一种基于全光平台实现超强光力耦合的量子模拟方案。该方案的核心是由两个交换耦合模形成的Fredkin相互作用,其耦合强度依赖于另一个控制模中的光子数。通过对两个交换模中的一个模式施加强驱动激光并借助博戈留波夫近似的物理思想,可以获得增强的光力耦合相互作用。通过数值模拟,我们发现该光力耦合系数可以被极大地增强从而使系统进入单光子强耦合区甚至是超强耦合区。我们还展示了该系统中宏观量子叠加态的制备、实现了量子测量由弱到强的转变以及发现了该系统中的光子阻塞效应。这项工作将为在现有实验平台上进行单光子光力学效应的量子模拟铺平道路。全文主要研究内容包括以下几个章节:在第一章中,我们首先介绍超强光力耦合的研究背景和研究意义,再简单介绍一些目前增强光力耦合强度的方案。在第二章中,我们介绍典型腔光力系统、量子模拟、薛定谔猫态、量子弱测量以及光子阻塞等方面的理论基础知识。在第三章中,我们基于Frendkin型相互作用,推导出广义的光力相互作用哈密顿量(近似哈密顿量),并通过计算封闭系统和开放系统两种情况下的保真度验证近似哈密顿量的有效性。最后通过分析腔光力学中三个重要的比值随驱动激光强度的变化图像,更加清楚地展示该系统中光力耦合强度的增强效应。在第四章中,我们基于该增强的光力耦合相互作用,在类力学模中制备薛定谔猫态。通过将耦合强度从弱调节到强,实现了量子测量从弱值极限到期望值极限的转变。此外,通过对系统施加额外的弱驱激光,观察到了该系统中的光子阻塞现象。最后,我们讨论了本方案的实验实现。在第五章中,我们总结本文的研究工作,并对今后的工作进行展望。
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