[论文解读] Controllable double quantum state transfers by one topological channel in a frequency-modulated optomechanical array

Lu Qi, Shutian Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2019

Mechanical and Optical Resonators参考文献 30被引用 11

一句话总结

本文提出一种频率调制的光机械阵列，其映射至Su-Schrieffer-Heeger（SSH）拓扑模型，可通过单一拓扑边界模式实现光子态与声子态转移之间的可控切换。通过调节次近邻（NNN）跃迁强度，系统可在左、右边界模式之间传输光子态，或在内部模式之间传输声子态，两种情形下均利用同一拓扑通道实现高保真度态转移。

ABSTRACT

We propose a scheme to achieve the quantum state transfer via the topological protected edge channel based on a one dimensional frequency-modulated optomechanical array. We find that the optomechanical array can be mapped into a Su-Schrieffer-Heeger model after eliminating the counter rotating wave terms via frequency modulations. By dint of the edge channel of the Su-Schrieffer-Heeger model, we show that the quantum state transfer between the photonic left edge state and the photonic right edge state can be achieved with a high fidelity. Specially, our scheme can also achieve another phononic quantum state transfer based on the same channel via controlling the next-nearest-neighboring interactions between the cavity fields, which is different from the previous investigations only achieving one kind of quantum state transfer. Our scheme provides a novel path to switch two different kinds of quantum state transfers in a controllable way.

研究动机与目标

• 在1D光机械阵列中实现稳健的、拓扑保护的量子态转移。
• 通过单一拓扑通道实现两种不同类型的量子态转移——光子态与声子态转移之间的切换。
• 探讨次近邻（NNN）跃迁在重构拓扑边界态并实现双态转移功能中的作用。
• 在存在频率调制和受控NNN相互作用的条件下，展示高保真度态转移。

提出的方法

• 通过频率调制将光机械阵列映射至有效Su-Schrieffer-Heeger（SSH）模型，实现拓扑保护。
• 系统哈密顿量包含腔场驱动、光机械耦合、通过NNN跃迁的直接腔-腔耦合，以及时间依赖的频率调制。
• 通过频率调制消除反旋项，使系统可由具有保护零能边界态的拓扑SSH哈密顿量描述。
• 通过调节NNN跃迁强度来控制拓扑边界态的局域化，实现光子态与声子态转移通道之间的切换。
• 利用数值模拟评估在不同NNN跃迁强度和驱动速率下的保真度与态转移动力学。
• 在NNN跃迁配置不同（奇数位或偶数位）的条件下分析系统，以评估双态转移机制的鲁棒性与可控性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在频率调制的光机械阵列中，单一拓扑边界通道是否能够支持两种不同类型的量子态转移？
• RQ2 次近邻（NNN）跃迁强度如何影响拓扑边界态的局域化特性与本质？
• RQ3 通过调节NNN跃迁强度，系统是否能够以可控方式在光子态与声子态转移之间切换？
• RQ4 在存在频率调制和变化的NNN耦合条件下，态转移的保真度如何？
• RQ5 NNN跃迁的位置（奇数位与偶数位）是否会影响拓扑通道在双态转移中的鲁棒性？

主要发现

• 频率调制的光机械阵列有效映射至Su-Schrieffer-Heeger（SSH）模型，支持具有拓扑保护的零能边界态。
• 当NNN跃迁为零时，系统可在左、右光子边界态之间实现高保真度光子态转移，在小驱动速率下保真度接近于1。
• 当NNN跃迁强度超过某一阈值（例如T = 6）时，边界态局域于内部位点，从而实现内部声子模式之间高保真度的声子态转移。
• 系统可通过同一拓扑通道实现双态转移：低T时为光子转移，高T时为声子转移，当Ω = 0.00001且T = 6时，保真度 > 0.99。
• 当NNN跃迁作用于偶数位时，拓扑通道仍保持鲁棒，保留光子转移通道，并可通过调节T实现可控切换。
• 通过时间调制NNN跃迁强度，系统可实现态转移类型之间的动态切换，展示了可重构的量子信道控制。