[论文解读] Quantum effects in optomechanical systems

Claudiu Genes, Andrea Mari+2 more|ArXiv.org|Jan 19, 2009

Mechanical and Optical Resonators参考文献 2被引用 7

一句话总结

本文研究了通过光学腔的辐射压力耦合在光机械系统中实现量子基态冷却与纠缠态制备。研究表明，即使在无反作用冷却的情况下，也能在机械振子与腔的输出场之间实现稳健的三体纠缠，并证明该纠缠可被转移至原子系综，从而在连续变量量子网络与量子存储中具有应用潜力。

ABSTRACT

The search for experimental demonstrations of the quantum behavior of macroscopic mechanical resonators is a fastly growing field of investigation and recent results suggest that the generation of quantum states of resonators with a mass at the microgram scale is within reach. In this chapter we give an overview of two important topics within this research field: cooling to the motional ground state, and the generation of entanglement involving mechanical, optical and atomic degrees of freedom. We focus on optomechanical systems where the resonator is coupled to one or more driven cavity modes by the radiation pressure interaction. We show that robust stationary entanglement between the mechanical resonator and the output fields of the cavity can be generated, and that this entanglement can be transferred to atomic ensembles placed within the cavity. These results show that optomechanical devices are interesting candidates for the realization of quantum memories and interfaces for continuous variable quantum communication networks.

研究动机与目标

• 分析利用光学腔的辐射压力耦合将微纳尺度机械振子冷却至其量子运动基态的可行性。
• 研究光机械系统中机械、光学与原子自由度之间稳健稳态纠缠的生成机制。
• 确定在热噪声存在及不同腔体工作模式下，纠缠仍能保持的条件。
• 探索光机械器件作为连续变量量子通信网络中量子存储器与接口的潜力。
• 比较反馈冷却与反作用冷却在不同腔体品质因数下实现基态冷却的效率。

提出的方法

• 采用量子朗之万方程形式化方法，建立具有辐射压力耦合的光机械系统动力学模型。
• 应用协方差矩阵与对数负定性形式化方法，量化系统稳态下的纠缠程度。
• 分析两种冷却机制：反作用冷却（通过非共振腔运行实现自冷却）与冷阻尼量子反馈（实时位置测量与校正）。
• 考虑单模与双模驱动腔结构，研究腔内模式、输出场与边带之间的纠缠。
• 推导出在双色光驱动下（红失谐与蓝失谐激光）系统的稳定性条件。
• 提出一种通过将原子调谐至腔输出的斯托克斯边带共振，将光机械纠缠转移至原子系综的方案。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过光学腔的辐射压力耦合将微纳尺度机械振子冷却至其量子基态？
• RQ2 在何种参数范围内可实现机械振子与腔输出场之间稳健纠缠的生成？
• RQ3 在不同腔体品质因数下，反馈冷却与反作用冷却的性能表现如何比较？
• RQ4 在无冷却条件下，特别是在蓝失谐区域，是否仍能生成并维持纠缠？
• RQ5 光机械纠缠在多大程度上可被转移至原子系综，以用于量子接口应用？

主要发现

• 在高品质因数腔（κ < ωₘ）中，反作用冷却为最优；而在低品质因数腔（κ > ωₘ）中，冷阻尼反馈更为有效。
• 机械振子与第一阶斯托克斯与反斯托克斯边带输出模式之间实现了稳健的三体纠缠，其中斯托克斯模式因纠缠浓缩效应表现出更强的纠缠。
• 对数负定性在系统稳定性阈值附近达到最大，此时冷却效果最弱，表明纠缠与冷却是独立现象，分别在不同参数区域实现最优。
• 斯托克斯与反斯托克斯边带模式之间的纠缠水平可与参量振荡器相当，尤其在检测带宽较窄时更为显著。
• 在双色驱动情况下，当光学机械耦合强度相等且失谐相反（红失谐与蓝失谐）时，系统即使在高腔内功率下仍保持稳定，且纠缠增强并更具抗温漂能力。
• 当原子系综置于腔内并调谐至与斯托克斯边带共振时，光机械纠缠可高效转移，形成强耦合的三体系统，适用于连续变量量子接口。