[论文解读] Unconventional photon blockade in coupled optomechanical systems

Vincenzo Savona|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2013

Mechanical and Optical Resonators参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文表明，在弱光机械耦合条件下，耦合光机械系统中可实现非传统光子阻塞（UPB），其机制依赖于跃迁至双光子态的路径之间发生量子干涉的相消效应。与传统光子阻塞不同，UPB仅需较小的非线性位移 Δg ~ 10⁻⁴κ 至 10⁻¹κ，因此在当前实验中 g/κ ~ 0.1–1 的光机械系统中具有可行性。

ABSTRACT

We show that in laser-driven coupled optomechanical systems, photon antibunching can occur under weak optomechanical coupling, contrarily to common expectation. This unconventional photon blockade originates from destructive quantum interference between different excitation pathways bringing from the ground to two-photon states. Using a quantum open-system approach, we study the antibunching as a function of driving field amplitude, temperature, and pure dephasing rate, and derive optimal values of the system parameters for its occurrence. These values are remarkably close to those characterizing optomechanical systems in some current experimental studies.

研究动机与目标

• 研究非传统光子阻塞（UPB）在耦合光机械系统（OMSs）中的可行性，其中光子反聚束源于量子干涉而非强非线性。
• 识别参数区域——尤其是弱光机械耦合——即使在非线性度较低时，UPB仍可发生。
• 评估UPB对实验缺陷（如纯退相干、热噪声及驱动场强度）的鲁棒性。
• 将UPB的要求与当前实验光机械系统进行比较，以识别可观测UPB的可行候选系统。

提出的方法

• 基于包含两个耦合光学模式的驱动-耗散量子光机械哈密顿量，其中一个光学模式通过辐射压力与机械振子耦合。
• 采用自旋极化变换将光机械耦合映射为有效非线性位移 Δg = g²/ωm，从而分析系统的非简谐谱。
• 应用冯·诺依曼方程与林德布拉德主方程，对光学与机械模式的马尔可夫耗散与退相干进行建模。
• 通过与 Γ 成比例的林德布拉德项引入纯退相干，通过机械热库的 Nth = (e^{ωm/kBT} − 1)⁻¹ 描述热效应。
• 数值计算二阶相关函数 g⁽²⁾(0) 以量化光子反聚束，系统性地改变 J、Γ、ε、T 及系统参数。
• 在满足分辨边带条件（ωm ≫ κ）下分析系统，以确保极化子方法与弱耦合区的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在弱光机械耦合条件下，非传统光子阻塞（UPB）是否可在耦合光机械系统中实现，与传统预期相反？
• RQ2 驱动场强度如何影响在损耗与退相干存在下的UPB的出现与鲁棒性？
• RQ3 纯退相干与热噪声对UPB可见度的影响是什么？何种参数阈值会抑制UPB？
• RQ4 当前哪些实验光机械系统最接近满足观测UPB的最佳条件？
• RQ5 有效非线性位移 Δg = g²/ωm 如何影响双光子激发路径中破坏性量子干涉的发生？

主要发现

• 即使在弱光机械耦合条件下，UPB也可在耦合光机械系统中发生，最优 Δg 范围为 10⁻⁴κ 至 10⁻¹κ，而传统光子阻塞要求 Δg/κ ≳ 1。
• 纯退相干会抑制UPB，当 Γ ≈ 0.01κ 时出现完全抑制，表明 Γ ≪ Δg 是维持破坏性干涉的关键。
• 当 KB T ≥ ωm 时热效应变得显著，导致 g⁽²⁾(0) 热激活增加，当 KB T > 150κ 时 g⁽²⁾(0) > 0.1。
• 光机械晶体纳米梁系统（ωm/κ = 24，g/κ = 5×10⁻³）是理想候选，仅需将 g/κ 提高20倍并冷却至约1 K即可实现最优UPB。
• 熔融二氧化硅环形微腔（ωm/κ = 11，g/κ = 5×10⁻⁴）与微波耦合微机械振子（ωm/κ = 50，g/κ = 10⁻³）通过微调即可满足UPB关键要求。
• 法布里-珀罗 GaAs/AlAs 微腔（ωm/κ = 1.7，g/κ = 4×10⁻³）在当前 κ 值下可支持UPB，但其低 ωm/κ 比值需仔细系统工程设计。