双耦合腔光力学系统中量子纠缠现象研究

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腔光力学是研究光学模式和力学模式相互耦合的一门学科,该领域的研究在量子光学与精密测量方面有着重要的应用价值。因此,近年来越来越多的研究人员开始关注腔光力系统的研究。随着纳米加工技术的不断发展,微米级甚至纳米级尺度的机械振子在实验上可以实现,这使得微纳机械振子与腔光力学系统的耦合在许多领域变得越来越重要。众所周知,当一个腔光力学系统在外加光场的驱动下,由于光子对机械振子碰撞产生的辐射压力可以让腔场和机械振子耦合,这种耦合会导致系统出现奇特的量子非线性现象,如光力诱导透明、超慢光传输,许多研究人员利用这种耦合来实现机械振子的冷却、量子纠缠态的制备与操控。研究还表明若腔光力学系统达到单光子强耦合机制时,可以实现光子阻塞、高分辨率单光子散射谱。这些研究表明,微纳加工技术的发展,让腔光力学系统成为探索光与物质相互作用的重要平台。基于腔场与机械振子的耦合,我们研究两相同的薄膜振子放置一法布里-珀罗(Fabry-Pérot)腔内,由于驻波场的特点,能够让两振子与腔场有不同的耦合模式,我们研究双耦合机制下系统的量子纠缠特性。本文主要介绍了研究工作的背景与意义,以及完成我们的研究所用到的基本方法,研究了腔场与腔内介电薄膜振子在双耦合情况下系统中的量子纠缠现象。内容主要如下:(1)首先详细介绍了腔光力学系统发展和原理,其次介绍了腔光力学的应用领域和微观尺度下的几种典型腔光力系统,最后阐述了腔光力系统中的量子纠缠现象,主要包括主方程求解,产生纠缠的方法和潜在的应用。(2)简略地介绍了量子力学中常用的三种绘景,随后讲解了腔光力系统的光学腔和机械振子的性质,及机械振子和腔场的线性耦合和二阶耦合情况。最后对海森堡-郎之万方程采用了线性处理。(3)详细研究了包括两个机械振子的腔光力学系统的纠缠特性。两个机械振子与腔场间存在不同耦合模式:一个机械振子和腔场之间的相互作用是关于振子位置的一阶耦合,另一个机械振子和腔场之间的相互作用是关于振子位置的二阶方耦合。一方面,研究了腔场频率、机械振子质量和机械振子温度对两个机械振子之间纠缠度的影响。另一方面,对于给定的系统参数,我们也得到了空腔场与机械振子之间存在二阶方耦合时的纠缠度。与微观粒子间的纠缠相比,我们知道这个宏观稳态系统的量子纠缠具有寿命长、可重复利用的特性,这在量子信息处理和量子网络的构建中起着重要的作用。
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