[论文解读] 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 13

一句话总结

本文研究了两个系统中的低阶和高阶非经典性——压缩、反聚束和纠缠：一个具有非线性振荡镜面的法布里-珀罗腔，以及一个被束缚在光腔中的玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）。通过在海森堡绘景中采用微扰解析方法，作者推导出时间演化的闭式表达式，并表明两个系统均在镜面模式中表现出模间压缩、高阶压缩和反聚束（光机械系统），而BEC类系统仅在模间关联和特定纠缠特性中表现出非经典性，且所有这些特性均可通过调节镜面相位实现控制。

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.

研究动机与目标

• 研究具有非线性振荡镜面的法布里-珀罗腔和基于BEC的光机械类系统中的低阶和高阶非经典性。
• 通过海森堡绘景中的微扰方法，建立玻色子算符时间演化的解析表达式。
• 探讨辐射压力耦合和非线性镜面振荡在生成非经典态中的作用。
• 分析非经典特性对可移动镜面和腔模相位的依赖性。
• 比较两种系统的非经典行为，特别是压缩、反聚束和纠缠方面的差异。

提出的方法

• 采用海森堡绘景中的Sen-Mandal技术，推导出场算符时间演化的微扰解析解。
• 构建系统的哈密顿量，包含辐射压力耦合和非线性镜面振荡，其中BEC系统作为特例出现。
• 利用微扰解，解析计算非经典性参数——压缩、反聚束、纠缠。
• 通过将解析结果与含时薛定谔方程的数值解进行比较，验证解析结果的有效性。
• 应用Hillery-Zubairy和Duan准则，检测系统中的低阶和高阶纠缠。
• 改变可移动镜面的相位，研究其对非经典性（尤其是纠缠）的调控作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有非线性振荡镜面的光机械系统中，能否产生高阶压缩和反聚束？
• RQ2 当腔中存在玻色-爱因斯坦凝聚体时，与标准光机械系统相比，非经典态的产生有何不同？
• RQ3 通过调节可移动镜面的相位，非经典特性（如纠缠）在多大程度上可被控制？
• RQ4 为何BEC类系统与光机械系统在产生腔模中低阶和高阶压缩的能力上存在差异？
• RQ5 即使单模压缩不存在，是否仍可观察到模间压缩和高阶非经典性？

主要发现

• 光机械系统在可移动镜面模式中表现出低阶和高阶压缩，而BEC类系统在腔模中未表现出此类压缩。
• 两个系统中均观察到腔模与镜面模式之间的模间压缩，表明模间存在强烈的量子关联。
• 光机械系统镜面模式中存在低阶和高阶反聚束，而BEC类系统腔模中则不存在。
• 利用Hillery-Zubairy准则在两个系统中均检测到纠缠，且在特定镜面相位值（θ = 0, π/2, π）下可观测到纠缠态，表明纠缠具有相位依赖性。
• Duan准则在任一系统中均未能检测到纠缠，凸显了在复杂系统中使用高阶准则的必要性。
• 在θ = 0时，光机械系统中可通过HZ-1准则检测到高阶纠缠，而BEC类系统中则未观察到，表明两种系统表现出截然不同的非经典行为。