[論文レビュー] Lower- and higher-order nonclassicality in a Bose-condensed optomechanical-like system and a Fabry-Perot cavity with one movable mirror: squeezing, antibunching and entanglement

Nasir Alam, Kishore Thapliyal+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2017

Mechanical and Optical Resonators被引用数 13

ひとこと要約

本稿は、非線形に振動する鏡を備えたファブリ・ペロー共振器と、光格子に閉じ込められたボーズ・アインシュタイン凝縮体（BEC）の2つの系において、低次の非古典性（圧縮、反ぶつり、もつれ）と高次の非古典性（高次圧縮、高次反ぶつり）を調査する。ヒーゼンベルク図式における摂動的解析手法を用いて、時間発展演算子の閉形式の表現を導出し、両系が鏡モードにおいてモード間圧縮、高次圧縮および反ぶつりを示すことを示した。一方、BECに類似した系では、非古典性はモード間相関および特定のもつれ特徴に限定され、鏡の位相を介して制御可能である。

ABSTRACT

Various lower- and higher-order nonclassical properties have been studied for two physical systems- (i) an optomechanical system composed of a Fabry-Perot cavity with one nonlinearly oscillating mirror and (ii) an optomechanical-like system formed using a Bose-Einstein condensate (BEC) trapped inside an optical cavity. The investigation is performed using a perturbation method that leads to closed form analytic expressions for the time evolution of the relevant bosonic operators. In the first system, it is observed that the radiation pressure coupling leads to the emergence of lower- and higher-order squeezing, antibunching, entanglement and intermodal squeezing. The effects of the coherent interaction of a nonlinear oscillating mirror with the cavity mode are studied, and it is observed that the optomechanical system studied here becomes more nonclassical (entangled) when the coupling strength is increased. It is also observed that the possibility of observing entanglement depends on the phase of the movable mirror. The Hamiltonian of the trapped BEC system is obtained as a special case of the Hamiltonian of the first system, and the existence of various nonclassicality in the trapped BEC system has been established, and variations of those with various physical parameters have been reported with an aim to understand the underlying physical process that leads to and controls the nonclassicality.

研究の動機と目的

• 非線形に振動する鏡を有するファブリ・ペロー共振器およびBECに類似したオプトメカニカル系における低次および高次非古典性の調査。
• ヒーゼンベルク図式における摂動的アプローチを用いて、ボソン的演算子の時間発展演算子の解析的表現を確立すること。
• 放射圧結合および非線形鏡振動が非古典的状態を生成する役割を調査すること。
• 非古典的特徴が鏡モードおよびキャビティモードの位相にどのように依存するかを分析すること。
• 2つの系の非古典的挙動、特に圧縮、反ぶつり、もつれの観点から比較すること。

提案手法

• ヒーゼンベルク図式において、Sen-Mandal手法を用いた摂動的解析的解法を用いて、場の演算子の時間発展演算子を解明した。
• ハミルトニアンは、放射圧結合および非線形鏡振動を含むように構築され、BEC系は特殊な場合として導かれた。
• 摂動的解法を用いて、圧縮、反ぶつり、もつれといった非古典的パラメータを解析的に計算した。
• 時間に依存するシュレーディンガー方程式の数値解との比較により、解析的結果の妥当性を検証した。
• Hillery-Zubairy基準およびDuan基準を用いて、系における低次および高次もつれを検出した。
• 可動鏡の位相を変化させることで、非古典的性質、特にもつれの制御を調査した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非線形に振動する鏡を有するオプトメカニカル系において、高次圧縮および反ぶつりを生成できるか？
• RQ2 キャビティ内にボーズ・アインシュタイン凝縮体が存在する場合、標準的なオプトメカニカル系と比較して、非古典的状態の生成にどのような影響を与えるか？
• RQ3 可動鏡の位相を調整することで、もつれを含む非古典的特徴をどの程度制御できるか？
• RQ4 なぜBECに類似した系とオプトメカニカル系では、キャビティモードにおける低次および高次圧縮の生成能力に差が生じるのか？
• RQ5 単一モード圧縮が存在しない場合でも、モード間圧縮および高次非古典的性質を観測できるか？

主な発見

• オプトメカニカル系では、可動鏡モードに低次および高次圧縮が観測されたが、BECに類似した系ではキャビティモードにそのような圧縮は観測されなかった。
• 両系において、キャビティモードと鏡モードの間でモード間圧縮が観測され、モード間の強い量子相関が示された。
• オプトメカニカル系の鏡モードには低次および高次反ぶつりが存在したが、BECに類似した系のキャビティモードにはそのような反ぶつりは観測されなかった。
• Hillery-Zubairy基準を用いたもつれ検出では、両系でもつれが観測され、特定の鏡の位相値（θ = 0, π/2, π）で検出可能な状態が得られた。これにより、位相依存の制御が可能であることが示された。
• Duan基準では、両系においてもつれを検出できなかった。これは、このような複雑な系では高次基準の必要性を示している。
• オプトメカニカル系では、θ = 0でHZ-1基準を用いて高次もつれが観測されたが、BECに類似した系では観測されなかった。これは、2つの構成における非古典的挙動の顕著な相違を示している。