旋转光力学系统中的非互易冷却和压缩研究

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光力学系统(Optomechanical system,简称OMS)是通过辐射压力耦合研究光与物质相互作用的系统。因其可以实现不同自由度之间的耦合,而具有很多新颖的物理性质,已被广泛地应用在量子光学和量子信息处理等领域。比如光力学诱导吸收与透明、光力学诱导非互易性、量子压缩与纠缠,以及力学振子的基态冷却等。但在实际应用中的力学振子很容易受到环境的热激发,所以要想研究光力学系统的量子效应并运用到量子信息处理就必须将力学振子冷却到基态。经典的法布里-珀罗腔中力学振子基态冷却的研究是目前最广泛的,但对回音壁模式中的非互易基态冷却和压缩还未被研究。针对这些问题,本文研究了旋转光力学系统中嵌入光参量放大器(Optical parametric amplifier,简称OPA)的力学振子的非互易冷却和腔场的量子压缩,该系统可以在抑制热噪声和压缩量子噪声的情况下实现非互易传输。近年来,在不存在经典非互易的情况下实现了量子非互易,即光力纠缠,以保护量子纠缠的非互易器件。在这里,我们将研究量子非互易性,包括非互易冷却和非互易光压缩,甚至在不存在经典非互易性的情况下,并考虑这两种非互易性之间的传递。(1)我们研究了单模回音壁模式旋转光力学系统中的非互易基态冷却。根据萨纳克-菲索(Sagnac-Fizeau)效应,用不同驱动方向的激光入射,通过改变共振频率来实现非互易基态冷却。当固定光学微腔不旋转,力学振子的基态冷却效果随着光参量放大器系数的增加而逐渐变好。当光学腔逆时针旋转时,驱动激光分别从左右两侧驱动系统,实现了由Sagnac效应引起的非互易基态冷却。我们还通过调控失谐实现了经典非互易与量子互易的转化。遗憾的是在现有的系统中,光场强度的经典互易可以实现的同时,基态冷却的量子非互易则由于此时的力学模式被加热而难以出现。(2)我们还研究了单模回音壁模式旋转光力学系统中的非互易量子压缩。通过对光学腔耦合光参量放大器的光压缩现象的探究,我们发现随着OPA非线性增益系数G的增大,光场被进一步压缩。而且最优正交量子压缩Sopt随着光参量放大器相位θπ的增大而逐渐减小。进一步,我们研究了该系统的非互易光量子压缩,这种非互易特性是由于驱动激光在谐振腔中不同的旋转方向引起的Sagnac-Fizeau效应。同时,我们还实现了通过调谐失谐Δc来实现光压缩量子和光场强度经典非互易的转换调控。(3)最后我们又研究了在双模回音壁模式旋转光力学系统中由随机缺陷引起的背向散射。研究表明当回音壁光学腔旋转时就可以抵消一部分由背向散射引起的抑制基态冷却影响。随后我们又研究了OPA对平均光子数N的影响。当固定隧穿耦合系数J=0时,随OPA非线性增益系数的增大,出现了类似光力诱导放大现象;当固定OPA非线性增益系数G=0.1κ时,同时随着隧穿耦合系数J的增加,图像出现正规模劈裂,并且正规模劈裂行为逐渐加强,光力诱导吸收谷逐渐增强,且趋近于0。由于回音壁光力学微腔易于实现小型化和集成化,因此本文中研究的力学振子的非互易基态冷却和腔场的非互易量子压缩在经典信息处理和量子信息处理的实际集成中具有潜在的应用价值。
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