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耦合腔光力系统的非经典效应研究

周文军  
【摘要】:当物体受到光辐射时会受到力的作用,称为光压效应。辐射压力与光强度成正比;光强度越强、受辐射的物体质量越小,这种辐射光压效应将越明显。随着量子光学的发展,光与物质相互作用的方法研究相对成熟,同时由于纳米科学以及半导体工业在先进材料和工艺上的发展,使得制造超敏感的微纳米装置成为可能,这些装置在空间上可以做到原子尺度。这两个方面结合起来便形成了“量子光力学”(Quantum Optomechanics)。光场被增强的光学共振腔(或者微腔),其一端带有可移动的反射镜子或等效为腔镜的各种结构(机械振子),自然成为一个光辐射压力效应显著的系统。在光力系统中,光与谐振子相互作用的非线性导致了很多有趣的效应,如类电磁诱导透明现象、腔场与机械振子之间的纠缠和场的非线性。这一体系因此成为成为重要的量子器件,对该系统的研究将对其在量子信息处理中的应用具有理论和实际意义。本文主要基于这种系统讨论一个N腔光力系统,通过绝热剔除和等效Schrodinger方程给出只含有N个机械谐振子模式的X-X型光力系统的有效哈密顿量。同时研究该系统所具备的非经典效应,在考虑耗散的情况下,由于单模、双模两种相互作用的存在,压缩不仅仅存在于双模之间,同样存在于两个独立的模式之间。由于邻近格点的跳跃和非线性的辐射压的影响,使得单模和双模二阶关联之间产生相互竞争,模间的反聚束性能够被用来作为一个单声子通道。本文共分为四章。第一章介绍了量子物理的基本理论,包括Schrodinger方程、量子纠缠、纠缠判据及度量、绝热剔除法、等效薛定谔方程、腔QED系统和单模双模的压缩等。第二章主要从经典和量子的角度对光学腔系统进行基础的理论分析。第三章给出了光场的二阶关联函数,并分别讨论了延时和零时的关联函数,以此说明了聚束和反聚束的基本特点。第四章是我们主要的研究工作,本章我们首先通过使用绝热剔除的方法得到了一个机械谐振子阵列的有效哈密顿量。在文中我们讨论了诸如量子态的传输,单模和多模的压缩,单模和多模的二阶关联函数等。我们的结论说明单模和多模能够同时表现出压缩性,这个性质不存在于非退相干的参量转换过程。模间的反聚束性能够被用来作为一个单声子通道。这对于量子力学与经典交界问题、量子通讯及光信号精密探测等方面具有重要意义。


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