腔光力系统中多个力学振子的量子冷却及其量子调控

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多力学振子量子系统的量子操控,是腔光力学的一个重要研究课题。这是因为该系统不仅为研究宏观力学相干性、量子多体效应、拓扑能量转移提供了一个很有前途的研究平台,而且还可以作为高性能的传感器、探针和力学计算机。因此抑制这些应用中的热噪声,即对这些力学谐振子进行基态冷却是一项必不可少的工作。目前,对单个力学谐振子的基态冷却已经取得了巨大进展,但多个力学谐振子的同时基态冷却仍然是腔光学力学中一个长期存在的挑战。与此同时,在腔光力学中,光传输和光延迟分别决定了信息的传输效率和信息的存储时间。目前,明显地拓宽传输窗口的线宽以及实现超长的光学延迟,仍然是一个长期存在的挑战。因此,针对这些亟待解决的问题,本文研究了多个力学谐振子的同时基态冷却,以及探究了多个力学谐振子对光学输运的量子调控,其主要结果如下:本文分为四个部分。第一部分包括论文的第一章和第二章,这里,系统的介绍了腔光力系统,光力冷却以及诱导透明的基本概念和基本理论。这些知识是后面各章讨论的基础。第二部分包括第三章,我们提出级联冷却机制,实现串联力学谐振子基态冷却。我们精确求解两个力学谐振子的最终平均声子数。结果表明,在边带可分辨和最优驱动下,两个力学振子的同时基态冷却可以实现。在腔场的大耗散区域,通过绝热消除腔场,得到两个力学振子的冷却极限。最后,我们将该方案推广到一条耦合力学谐振子链的共同冷却问题。第三部分包括第四章,我们提出打破暗模机制,实现并联力学谐振子基态冷却。由声子-交换耦合和线性化光力耦合形成的三模环形耦合系统中,量子干涉效应导致两个力学振子之间能量传递的单向性,这提供了一个普适且有效的方法来打破暗模效应,并实现了两个简并或非简并力学振子的同时基态冷却以及两个力学谐振子之间声子的单向流动。我们将此方法推广到N个简并或者近简并机械谐振子的同时冷却。该物理机制可用于打破物理学中的其他暗模或暗态效应。最后一部分包括第五章,我们提出操控暗模机制,实现可控光学传输和光开关。与标准光力系统(一个光学模式和一个力学模式)相比,这种双机械模式光力系统中的暗模效应可以导致两倍放大的光力诱导透明窗口和更高的二阶边带效率。这是因为在弱耦合极限下,与透明窗口线宽相关的有效力学衰减率增加了两倍。当暗模效应被打破时,可调控的双透明窗口出现,二阶边带以及光延迟或光超前明显地增强。对于N个力学模构成的光力系统,在存在暗模效应时,透明窗口的放大倍数几乎与力学模式的数量成正比。当打破暗模效应时,单个透明窗口转变成N个透明窗口。该研究对大频带内的光信息存储和多通道光通信具有重要的应用价值。本文中提出的级联冷却机制和打破暗模机制有助于多力学振子量子系统的量子操控。特别地,打破暗模机制具有普适性,它可以被推广到打破其他物理系统的暗态或暗模式效应。
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