关键词：基态冷却;;量子点;;量子干涉;;量子纠缠;;量子导引;;压缩态
摘 要：纳米机械振子的基态冷却已经成为理论和实验研究一个重要的热门课题。这主要是因为将一个纳米机械振子冷却至基态不仅能够在量子技术领域探索它的量子行为,而且它在生物传感、机械位移、引力波和质量的高精度测量以及量子信息处理等诸多方面有许多潜在的应用。另一方面,研究量子导引不仅能够为人类探索量子物理提供更加深刻的认识,而且它在单方设备无依赖的量子秘钥分发、保密量子传输、子信道辨别和量子成像与量子计量学等量子信息处理过程中扮演了核心作用,因此它也已成为理论和实验研究领域一个备受关注的课题。基于机械振子基态冷却和量子导引两方面的重要性,本文的主要研究动机就是在腔光力系统中探寻更有效的基态冷却方案以及纳米机械振子间量子导引的制备方案。首先,我们提出了在量子点-腔场-机械振子的混合体系中利用单极化子态间的共振吸收跃迁将机械振子快速冷却至量子基态的新方案。该方案与以往传统的冷却方案完全不同,在以往的冷却方案中,要求量子点与腔场间实现强耦合,发生单光子阻塞,并且只需一束经典的弱激光来驱动腔场或是量子点。然而,借助两束经典弱激光分别同时驱动腔场和量子点,当前的冷却方案是通过调制激光和原子的相对相位以及激光的拉比耦合强度,从而实现体系中的多路量子相消干涉和双光子阻塞,最终达到快速基态冷却的目的。它不要求量子点与腔场间的强耦合,这大大降低了实验难度。不仅如此,在传统的冷却方案中,机械振子的声子吸收主要发生在基态到单极化子态间的近共振跃迁,这要求驱动场的强度很弱,使得冷却速率不快。然而,我们这里的冷却过程主要发生于从低能级单极化子态向高能级单极化子态的共振跃迁过程,它允许驱动激光场的强度可以相对较强,因而冷却速率可以得到显著提高。更重要的是即使量子点-腔场系统处于中等耦合强度区域的时候,运用当前的实验技术也有可能实现机械振子的快速基态冷却。其次,我们研究了一个受驱级联量子光网络系统的耗散动力学及其纠缠态的产生机制,该级联量子光网络系统是由一个双腔光力系统耦合到一根普通的单向光纤所组成。将两束相干驱动激光场注入到手征耦合系统,基于量子噪声的相消干涉并通过腔模能将纠缠有效地从光场转移到两个机械振子的运动态。通过调制两束红蓝失谐泵浦激光的相对强度比,发现最优的量子纠缠出现在一个完美的EPR纠缠力学态,并且在特定的条件下两机械振子间呈现出双向的EPR量子导引关联。如果机械振子的频率远大于手征耦合腔链的耗散速率,则手征耦合系统能够实现从一个机械振子到另一个的单向量子导引,但是反过来却是不可能发生的。再次,我们探讨了如何在相同的理论框架下统一量子纠缠和导引。我们提出了任意双体高斯态量子导引的标准形式,发现了在该标准形式下简洁而有效的量子导引判据。基于相同的理论框架,纠缠的标准形式和判据也能被获得和证实。从两者判据的形式上看,我们不难发现相比于纠缠量子导引的产生需要更强的非经典关联,并且它的方向性则仅依赖于体系的平均光子数。并且,内在的非对称性和对称性能够形象直观地展现在相应的判据之中,两种标准形式间的本质差别和内在关联也相应被披露。最后,我们考虑了利用马尔科夫反馈来实现两玻色模间单向量子导引的新方案。研究发现利用非等分的分束器和两路不同的反馈回路能够在稳态区域实现系统内非对称的量子导引,产生稳态单向量子导引的条件被披露。并且,纠缠态的纠缠度和纯度随耦合参数以及反馈强度变化特性也被研究。同时还发现在特定的反馈条件下,量子反馈可以将体系驱动至一个纯的且稳定的双模压缩真空态。此外,我们也系统地研究和探索了腔场产生纠缠和量子导引的条件。
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