混合腔光机械系统量子效应及其操控的理论研究

Optomechanical system, optical field interacting with mechanical oscillator, is not only involving the basic problems of quantum mechanics but also can be used as important quantum devices such as quantum sensors, information controller, gate operation ect.. Therefore, the optomechanical system plays significant role in quantum mechanics as well as in quantum information domain and has attracted a lot of attention. In this project, we will research the hybrid cavity optomechanical system. Intend to find effective scheme to realizing the quantum steady-pure state of macro (mesoscopic) oscillators. We aim to propose a completely theoretical method to deal with nonlinear problems in strong coupling region and try to find a feasible scheme to effectively enhance the nonlinear coupling. Explore the quantum information control by manipulating the atoms. We plan to study the synchronization, the relation between synchronization and entanglement. We will put forward a method to judge or measure the synchronization. We are going to investigate the transmission of quantum information, quantum gate operation, ect.. Through the implementation of this project, a more comprehensive and systematic study of the cavity optomechanical system will be accomplished, which will not only enrich the theoretical knowledge of the hybrid system but also provide guidance for the application of the quantum devices.

光与机械振子相互作用系统，不仅涉及量子力学基本问题，而且能够作为量子传感器、信息控制、量子门操作等重要量子器件，因此对该系统的研究具有重要意义，近年来受到人们特别的关注。本项目拟以原子参与的腔光机械混合系统为对象，研究开放宏观（介观）系统的稳定非经典纯态，提出完备的处理非线性问题的理论方法。深入研究增强非线性的机制,力图找到解决有效耦合增强的可行方案。探索通过对原子的操纵来控制信息的交换。研究耦合腔光机械系统的同步效应，同步与纠缠的关系，提出判断或度量同步的方法。研究耦合腔光机械系统进行量子信息的传输、门操作等重要过程。通过本项目的实施，较为全面系统地研究光机械系统作为量子器件的各类问题，期待能够为光机械量子器件的应用提供理论指导。

光力系统可将不同频率的场，用非线性的方式耦合起来，使得其在量子精密测量，量子控制，量子门操作等方面，具有潜在的应用价值，是一种重要的量子器件，因此对该系统的研究具有重要意义。. 光力系统的弱耦合使得其非线性的利用成为障碍，我们研究了腔光力系统非传统的非线性增强问题，利用相干相消的思想，在两个方案中，发现能够实现理想的光子禁闭，并利用这一性质提出了实现量子二极管的方案，在特定条件下系统呈现出类似电容的充电和放电效应；我们还研究了利用光力系统的禁闭，来实现单光子的四端路由的途径。. 光力系统在量子控制以及微波探测方面的具有潜在应用价值，我们提出了光力系统多路径的光子-声子转换方案，给出了一个提高微波量子照明的信噪比的办法。针对耦合的光力系统，我们研究了一个可实现量子三极管的方案，还研究了两个耦合腔光力系统的经典同步、量子同步与纠缠的关系，结果表明两个振子纠缠和同步没有确定的关系。. 本项目的一大亮点在于我们率先研究了光力系统的非马尔科夫动力学及其应用，在单光子弱耦合条件下，我们发展了一种解析的方法，将腔场与振子的非马尔可夫记忆效应对系统的影响同时考虑进来，发现当超过某个特定阈值的时候，震荡记忆的束缚态将会在经典的腔场中形成，因此腔场与振子的纠缠可在热环境中存活下来；我们提出了利用非马尔科夫环境来进一步冷却振子，逼近基态；而利用非马尔科夫环境可以降低振子的噪声，从而对于弱力探测起到正面积极的作用。我们最近的一个研究工作，指出了非马尔科夫环境的实验中，振子可以具有更好的噪声压缩效果。. 这些工作系统全面地研究了光力系统的性质，覆盖了计划书中的研究内容，对于这一量子器件的可能应用具有意义。

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