[논문 리뷰] 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 Thapliyal외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 13.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 비선형으로 진동하는 거울을 갖는 파브리-페로 캐비티와 광학 캐비티에 갇힌 보즈-아인슈타인 응집물(BEC)을 포함한 두 시스템에서의 저차수 및 고차수 비고전성—압축, 비결합성, 얽힘—을 조사한다. 헤이젠베르크 그림에서의 섭동 해석적 방법을 사용하여, 저자들은 시간에 따른 진화에 대한 닫힌 형태의 표현식을 유도하고, 두 시스템 모두 거울 모드에서 상모드 압축, 고차수 압축 및 비결합성을 나타냄을 보여준다(광기계 시스템). 반면 BEC 유사 시스템은 상모드 상호작용 상관관계와 특정 얽힘 특성에서만 비고전성을 보이며, 이는 거울의 위상 조절에 의해 제어 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비선형으로 진동하는 거울을 갖는 파브리-페로 캐비티와 BEC 기반 광기계 유사 시스템에서의 저차수 및 고차수 비고전성을 조사하기 위해.
• 헤이젠베르크 그림에서 섭동 접근법을 사용하여 보존 연산자의 시간 진화에 대한 해석적 표현식을 수립하기 위해.
• 복사압 결합 및 비선형 거울 진동이 비고전 상태를 생성하는 데 미치는 역할을 탐색하기 위해.
• 비고전적 특성들이 이동 가능한 거울 및 캐비티 모드의 위상에 어떻게 의존하는지 분석하기 위해.
• 두 시스템 간의 비고전적 행동을 비교하여, 특히 압축, 비결합성 및 얽힘 측면에서의 특성을 조사하기 위해.

제안 방법

• 헤이젠베르크 그림에서 섭동 해석적 해법을 유도하기 위해 세인-만달 기법을 사용하여 필드 연산자의 시간 진화를 해결한다.
• 시스템의 해밀토니안은 복사압 결합과 비선형 거울 진동을 포함하도록 구성되며, BEC 시스템은 특수한 경우로 나타난다.
• 비고전성 매개변수—압축, 비결합성, 얽힘—은 섭동 해법을 사용하여 해석적으로 계산된다.
• 해석적 결과의 타당성을 시간 의존 슈뢰딩거 방정식의 수치적 해와의 비교를 통해 검증한다.
• 히릴리-주바리 및 두안 기준을 적용하여 시스템 내 저차수 및 고차수 얽힘을 탐지한다.
• 이동 가능한 거울의 위상을 변화시켜 비고전성, 특히 얽힘에 대한 제어 기능을 연구한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비선형으로 진동하는 거울을 갖는 광기계 시스템에서 고차수 압축과 비결합성을 생성할 수 있는가?
• RQ2 캐비티 내에 보즈-아인슈타인 응집물이 존재할 경우, 표준 광기계 시스템과 비교해 비고전 상태의 발생에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이동 가능한 거울의 위상을 조절함으로써 비고전적 특성, 예를 들어 얽힘 정도를 어느 정도 제어할 수 있는가?
• RQ4 왜 BEC 유사 시스템과 광기계 시스템은 캐비티 모드에서 저차수 및 고차수 압축을 생성하는 데서 서로 다른 능력을 보이는가?
• RQ5 단일 모드 압축이 존재하지 않을 경우에도 상모드 압축과 고차수 비고전성이 관찰될 수 있는가?

주요 결과

• 광기계 시스템은 이동 가능한 거울 모드에서 저차수 및 고차수 압축을 나타내지만, BEC 유사 시스템은 캐비티 모드에서 이러한 압축을 보이지 않는다.
• 두 시스템 모두 캐비티 모드와 거울 모드 사이에 상모드 압축이 관찰되어 모드 간 강한 양자 상관관계가 있음을 시사한다.
• 광기계 시스템의 거울 모드에서는 저차수 및 고차수 비결합성이 관찰되지만, BEC 유사 시스템의 캐비티 모드에서는 이러한 비결합성이 관찰되지 않는다.
• 히릴리-주바리 기준을 사용한 얽힘은 두 시스템 모두에서 관찰되며, 특정 거울 위상 값(θ = 0, π/2, π)에서 감지 가능한 상태가 나타나 얽힘의 위상 의존적 제어를 보여준다.
• 두안 기준은 어느 시스템에서도 얽힘 탐지를 실패하여, 이러한 복잡한 시스템에서는 고차수 기준이 필요함을 시사한다.
• 광기계 시스템에서는 θ = 0일 때 HZ-1을 사용해 고차수 얽힘을 관찰할 수 있지만, BEC 유사 시스템에서는 그렇지 않아 두 시스템 간의 비고전적 행동에 상이함이 있음을 나타낸다.