双腔光力系统中机械振子的基态冷却理论研究

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腔光力学是一门集量子光学和机械科学等学科于一体的交叉学科,其主要研究的是光学(微波)场与机械运动物体之间的相互作用。腔光力系统无论是在基础研究还是在实际应用中都受到广泛的关注,在生物传感、弱力探测和量子信息处理等领域都具有极其重要的应用价值。近年来,受益于微纳制造业的迅速发展,腔光力系统的制备也得到了不断优化,其日益成为研究宏观量子效应和实现有效量子操控的理想平台。众所周知,由于机械振子在热环境中极易被激发,所以将其成功冷却至量子基态是进一步观测量子行为的重要先决条件。然而,传统的基态冷却方案大多满足边带可分辨条件,即要求系统处于机械模式频率远大于腔模耗散速率的边带条件。与此同时,由于光力强耦合下交换加热和量子反作用力对系统冷却过程产生不可忽视的影响,从而极大地限制了机械振子的冷却极限。基于上述考虑,本文集中在边带不可分辨区域和强耦合区域,提出了两种提高冷却效果的基态冷却方案。首先,提出了通过频率调制来改善双腔光力系统的机械振子冷却效果的方案。两个腔模因辐射压力均与同一个机械模相互作用,形成双冷却通道,增加了声子与光子之间的能量交换路径。在此方案中,通过同步调制光腔和机械振子的本征频率,斯托克斯加热过程得以充分抑制,从而成功地将平均声子数降低到无频率调制情况所要求的量子反作用极限以下。并且借助于周期性频率调制,机械振子不仅在弱耦合区域和强耦合区域获得了更理想的冷却效果,而且在系统不稳定区域也成功实现了基态冷却。结果表明,即使是在边带不可分辨机制,机械振子同样能够获得理想的冷却性能。同时对系统参数进行合理调节,能有效提升冷却效率。该方案对于大尺度机械物体的量子操控具有重要意义。其次,研究了耦合双腔光力系统的基态冷却,在强耦合区提出了通过调制腔模耗散来优化冷却效果的方案。该方案把腔模耗散作为一种可调节的资源。结果表明,周期性地引入高腔模耗散,可以强烈地抑制交换加热效应和相互作用量子反作用,使冷却速率显著提高,同时也极大地降低了冷却极限。此外,讨论了动态耗散调制具备自主调控的特性,可以随时调控冷却速率。该方案对在强耦合区内进行长相干量子操作提供了一种手段。
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