[论文解读] Optical response properties of hybrid electro-opto-mechanical system interacting with a qubit

Tarun Kumar, Surabhi Yadav+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2021

Mechanical and Optical Resonators参考文献 89被引用 4

一句话总结

本文提出了一种与量子比特耦合的混合电-光-机械系统，在分辨边带 regime 中实现了可调谐的全光开关、双光机械诱导透明（OMIT）以及光机械诱导吸收（OMIA）。通过调节耦合强度和腔体退相干速率等系统参数，作者实现了 OMIT 与 OMIA 之间的可控切换，同时观察到反常色散与正常模分裂（NMS），为量子光子器件和全光开关应用提供了可能。

ABSTRACT

We investigate the optical response of a hybrid electro-optomechanical system interacting with a qubit. In our experimentally feasible system, tunable all-optical-switching, double-optomechanically induced transparency (OMIT) and optomechanically induced absorption (OMIA) can be realized. The proposed system is also shown to generate anomalous dispersion. Based on our theoretical results, we provide a tunable switch between OMIT and OMIA of the probe field by manipulating the relevant system parameters. Also, the normal-mode-splitting (NMS) effect induced by the interactions between the subsystems are discussed in detail and the effects of varying the interactions on the NMS are clarified. These rich optical properties of the probe field may provide a promising platform for controllable all-optical-switch and various other quantum photonic devices.

研究动机与目标

• 研究与量子比特耦合的混合电-光-机械系统的光学响应。
• 探索在分辨边带 regime 中可调谐的全光开关行为。
• 展示双-OMIT 与反常色散共存的现象。
• 分析由模式耦合引起的正常模分裂（NMS）效应。
• 通过参数调节实现光机械诱导透明（OMIT）与吸收（OMIA）之间的可控切换。

提出的方法

• 系统由一个机械谐振子耦合至微波腔和光学腔构成，量子比特通过 Jaynes-Cummings 哈密顿量与系统相互作用。
• 采用主方程方法进行理论建模，以描述开放量子系统的动力学行为。
• 计算探测激光失谐与系统参数依赖的光学透射谱。
• 通过强耦合下能级分裂的分析，研究正常模分裂（NMS）。
• 从透射谱中推导群速度与色散特性，以识别反常色散。
• 通过调节耦合强度与腔体退相干速率的参数扫描，展示 OMIT 与 OMIA 之间的切换行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有量子比特的混合电-光-机械系统是否能表现出可调谐的全光开关行为？
• RQ2 在何种条件下，系统会表现出双光机械诱导透明（OMIT）与光机械诱导吸收（OMIA）？
• RQ3 正常模分裂（NMS）如何由光学、机械与量子比特模式之间的耦合产生？
• RQ4 腔体退相干率在 OMIT 与 OMIA 之间切换过程中起到何种作用？
• RQ5 该系统是否能产生反常色散（负群速度）？在何种参数区域可实现？

主要发现

• 通过调节量子比特-腔耦合强度与腔体退相干速率，系统可实现可调谐的全光开关。
• 在接近分辨边带的 regime 中观察到双-OMIT，同时伴随具有负群速度的反常色散。
• 在分辨边带 regime 中实现了光机械诱导吸收（OMIA），且通过参数调节可清晰观察到从 OMIT 到 OMIA 的转变。
• 由于光学、机械与量子比特模式之间的强耦合，观察到正常模分裂（NMS），其分裂大小取决于相互作用强度。
• 通过调节耦合强度与退相干率等系统参数，OMIT 与 OMIA 之间的转换在实验上可行且可控制。
• 该系统支持慢光传播与量子态转换，适用于量子存储器与光子器件。