[论文解读] Exploring quantum correlations in a hybrid optomechanical system

Smail Bougouffa, Mohannad Al‐Hmoud+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2022

Mechanical and Optical Resonators参考文献 81被引用 5

一句话总结

本文提出一种具有两个耦合腔的混合光机电系统，通过光子和声子跃迁增强腔内纠缠。通过采用经典激光驱动并分析对数负性与量子导引，研究结果表明，最优耦合强度可显著提升纠缠度，为具有宏观机械模式的量子信息处理提供可调平台。

ABSTRACT

In quantum simulations and experiments on optomechanical cavities, coherence control is a challenging issue. We propose a scheme of two coupled optomechanical cavities to enhance the intracavity entanglement. Photon hopping is employed to establish couplings between optical modes, while phonon tunneling is utilized to establish couplings between mechanical resonators. Both cavities are driven by classical light. We explore the influences of coupling strengths of the quantum correlations generated inside each cavity using two types of quantum measures: logarithmic negativity and quantum steering. This analysis will reveal the significance of these quantum metrics as well as their various aspects in the Doppler regime. We also investigate stability conditions based on coupling strengths. Therefore, it is possible to quantify the degree of intracavity entanglement. The generated entanglement can be enhanced by choosing the appropriate photon and phonon hopping strengths. A set of parameters based on the currently available experimental data was used in the calculations.

研究动机与目标

• 探索具有两个耦合腔的混合光机电系统中的量子关联。
• 研究光子与声子跃迁如何增强腔内纠缠。
• 评估对数负性和量子导引作为多普勒 regime 中纠缠度量的有效性。
• 基于耦合强度确定系统稳定性的条件，以实现鲁棒的量子态制备。

提出的方法

• 在旋转波近似下，推导出两个耦合光机电腔的哈密顿量，包含辐射压力耦合。
• 建立描述光学模式与机械模式在马尔可夫噪声与阻尼下的动力学的量子朗之万方程。
• 对方程进行线性化，得到用于正交振幅涨落的耦合随机微分方程，可在稳态近似下求解。
• 计算关联矩阵以表征量子涨落并评估系统稳定性。
• 计算对数负性和量子导引作为光学与机械模式之间纠缠度量。
• 利用实际实验参数进行数值模拟，以量化纠缠增强效果。

实验结果

研究问题

• RQ1 光子在光学模式之间的跃迁如何影响混合光机电系统中的腔内纠缠？
• RQ2 声子在机械谐振子之间的隧穿在多大程度上可增强量子关联？
• RQ3 在多普勒 regime 中，对数负性和量子导引作为量化腔内纠缠的度量，其表现如何比较？
• RQ4 在保持系统稳定性的前提下，最大化纠缠的最优耦合强度是什么？

主要发现

• 最优光子跃迁强度显著增强腔内纠缠，其程度由对数负性量化。
• 机械谐振子之间的声子隧穿进一步提升纠缠度，在特定耦合速率下达到最大值。
• 量子导引作为非经典关联的敏感指标，在多普勒 regime 中展现出显著特征。
• 系统在广泛的耦合参数范围内保持稳定，其稳定性条件由关联矩阵解析导出。
• 确定了一组实验上可行的参数，可实现高纠缠度，验证了该方案的实际可行性。
• 对数负性和量子导引表现出互补行为，凸显了在不同耦合条件下纠缠的鲁棒性。