[论文解读] Quantum correlations under the effect of a thermal environment in a triangular optomechanical cavity

Oumayma El Bir, M. El Baz|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2020

Mechanical and Optical Resonators参考文献 51被引用 4

一句话总结

本研究在热噪声条件下，研究了具有两个可动镜面的三角形光机械腔中量子关联——纠缠、高斯量子失谐和互信息。通过线性化量子朗之万方程与协方差矩阵形式，结果表明：纠缠（以对数负性衡量）随温度和镜面质量增加而退化，而量子失谐在纠缠出现之后仍持续存在，揭示了即使在可分态中也具有鲁棒的非经典关联。

ABSTRACT

We quantify the stationary correlations between the optical mode and the relative mechanical mode of a ring cavity composed of a fixed mirror and two movable ones in a triangular design. The bipartite covariance matrix, is used to evaluate the logarithmic negativity as a measure of entanglement, the Gaussian quantum discord as a measure of total quantum correlations and the mutual information as a measure of the overall correlations. The behaviour of these quantities with respect to the environment's temperature as well as other parameters such as the laser pumping power and mass of the movable mirrors is discussed.

研究动机与目标

• 分析具有两个可动镜面和一个固定镜面的环形光机械腔中的稳态量子关联。
• 量化在热环境效应下量子关联（特别是纠缠与量子失谐）的鲁棒性。
• 研究激光功率、镜面质量与温度之间在量子关联持续性方面的相互作用。
• 比较纠缠（对数负性）与量子失谐及互信息作为高斯态中量子关联度量的差异。
• 证明量子失谐在纠缠阈值之后仍能持续存在，表明其作为非经典关联更鲁棒度量的作用。

提出的方法

• 将系统建模为一个由一个固定镜面和两个可动镜面组成的环形腔，由相干激光源驱动。
• 通过辐射压力推导包含光机械耦合的哈密顿量，使用无量纲的位置与动量算符表示机械模式。
• 求解线性化量子朗之万方程，获得光模式与相对机械模式的稳态双粒子协方差矩阵。
• 利用协方差矩阵的辛特征值计算对数负性，作为纠缠的度量。
• 使用涉及协方差矩阵元素函数与辛特征值的公式，计算高斯量子失谐。
• 通过经典与量子关联之和计算互信息，提供总关联度量。

实验结果

研究问题

• RQ1 环境温度升高如何影响三角形光机械腔中的稳态纠缠？
• RQ2 激光泵浦功率在多大程度上影响量子纠缠的热鲁棒性？
• RQ3 当热噪声导致纠缠消失时，量子失谐是否仍能在系统中持续存在？
• RQ4 可动镜面的质量如何影响量子关联随温度退化的程度？
• RQ5 互信息、量子失谐与纠缠如何随有效失谐 ∆/ωm 变化？

主要发现

• 对数负性（纠缠）随温度和镜面质量增加而减小，在 P = 4 mW 时于 T ≈ 4.5 mK 处消失，在 P = 10 mW 时于 T ≈ 9 mK 处消失。
• 高斯量子失谐在纠缠阈值之后仍保持非零，表明其在纠缠消失后仍对热噪声具有鲁棒性。
• 互信息与量子失谐均在 ∆ ≈ ωm 附近达到峰值，并随失谐增加而减小，表明共振时关联生成最优。
• 在固定失谐下，互信息始终大于量子失谐，证实互信息包含经典与量子关联。
• 即使在可分态中，系统仍表现出非零的量子失谐，证实量子失谐可捕捉超越纠缠的关联。
• 协方差矩阵形式能够完整表征高斯态，实现对热退相干下纠缠、失谐与总关联的精确量化。