腔光力学系统中量子纠缠及Casimir力调控机制研究

This project will theoretically examine the quantum entanglement and control mechanism of Casimir force in cavity optomechanical systems. The preparation of tripartite-entangled state of the atom trapped in an optomechanical system, cavity field and mechanical oscillator is investigated by means of the time average approximation method. The coherent manipulation, preparation, and measurement of mechanical oscillator quantum state can be obtained. The generation of quantum entangled states is examined for the case of two atoms which are trapped in spatially separate cavity optomechanical systems. The distributed quantum entanglement used in the quantum network can be achieved. When the separation between the nanosphere and cavity mirror in an optomechanical system with nanosphere is of the order of nanometer, the Casimir force between the nanosphere and mirror surface plays an important role for the dynamics of the nanosphere. The control of the Casimir force on the properties of entanglement between mechanical oscillator and intracavity filed and cavity output filed is studied. The physical mechanism of the creation of entanglement between mechanical mode and cavity mode and the transfer from the intracavity entanglement to the output field is illustrated. The system parameters of maximum entanglement between mechanical mode and cavity mode are discussed. The physical principles and processes of precision detection of the Casimir force between a nanosphere and a mirror can be revealed. The magnitude of the Casimir force can be detected by the method of the optical measurement. The contents of the project are of great significance for the precision measurement, single quantum manipulation and quantum information processing research.

本项目拟从理论上研究腔光力学系统中量子纠缠及Casimir力调控机制。利用时间平均近似法研究原子-腔光力学系统中原子、腔场和机械振子三体纠缠态的制备，实现对机械振子量子态的相干操控，制备和测量。研究两个原子分别束缚在两个相互远离的腔光力学系统中量子纠缠态的产生，获得量子网络中所需的分布式量子纠缠。纳米球光力学系统中纳米球和腔镜之间的距离达到纳米量级时，纳米球和镜面之间的Casimir力对纳米球动力学特性起着一个重要的作用，研究Casimir力对机械振子和腔内场以及腔输出场之间纠缠特性的调控，阐明机械模和场模之间纠缠产生以及腔内纠缠转移到腔外场的物理机制，探讨机械模和场模之间实现最大纠缠的系统参数，揭示高精度探测纳米球和镜面之间Casimir力强度的物理原理和过程，通过光学测量的方法实现Casimir力强度的测量。本项目的研究内容对精密测量，单量子操纵以及量子信息处理研究领域具有重大的意义。

本项目进展顺利，基本上按任务书中内容展开相关研究，项目的研究要点包括：(1) 研究了原子—腔光力学系统中纠缠演化特性以及三体纠缠态的制备，制备了原子、腔场和机械振子三体纠缠态, 实现了通过成熟的原子物理学工具和腔量子电动力学技术对机械振子量子态的相干操控，制备和测量；(2) 研究了两个独立的原子-腔光力学系统纠缠交换，以及由J-C模型和原子-腔光力学系统组成的物理模型中两个两能级原子与机械模之间的纠缠交换，获得了量子网络中所需的分布式纠缠；(3) 研究了量子发射器系综囚禁在标准的腔光力学系统中的稳态动力学特性，系统可实现两能级系统内态和机械模的有效耦合，为实现两能级原子和镜子表面间的Casimir力大小的估计具有潜在的应用；(4) 研究了腔和电路量子电动力学系统中多比特量子相位门的实现、纠缠转移和纠缠动力学特性，提出了一种基于两个相互耦合的超导电荷比特和一个分离的超导磁通比特与微波腔的耦合制备GHZ态的方案，方案利用比特与腔的共振相互作用，所需时间较短；(5) 研究了驻波激光场中囚禁离子的线性熵和量子态转移特性；(6) 研究了量子图像加密算法，量子网络通信协议以及高速随机源，提出了一个由光子驱动的四能级量子吸收式制冷机方案；(7) 研究了金刚石NV色心同时耦合腔场和机械振子系统中声子场的方差压缩特性，发现可以制备压缩时间长，压缩幅度大的声子场压缩态，其物理原因是机械振子具有最大相干性，并且通过调控NV色心初态以及磁场梯度可以实现对机械振子方差压缩非经典特性的操控；(8) 实验上研究了三种不同照明光源下桶探测与点探测关联成像的质量效果，结果表明要得到质量好的点探测关联成像效果，所使用的光源必须是振幅调制的光源，而相位应该尽量保持不变，发现其物理机制为光源的一阶横向相干性所致。本项目的研究结果对精密测量，单量子操纵以及量子信息处理研究领域具有重要的意义。项目期间，共发表或录用论文38篇，其中已标注论文19篇，SCI收录期刊论文24篇，EI收录期刊论文8篇，CSCD核心期刊论文5篇，申请国家发明专利7项，其中授权1项，培养硕士研究生11人，完成了任务书预定成果指标。