开放量子系统中光机械振子辐射压冷却的理论研究

Optomechanical cooling provides a convenient way to observe the quantum behavior of mesoscopic and macroscopic objects. Utilizing the fundamental principle of optomechanical cooling, this project will focus on the optimized scheme of radiation pressure cooling under current experimental condition, using the characteristics and excellent compatibility of optomechancal system. In weak coupling and strong driving regime, this project will study the optimizing and control of radiation pressure cooling by using the initial correlation between optical mode and mechanical mode, as well as non-Markovian environment (a more general environment). In addition, considering the nonlinear effect of optomechanical system, we will propose a scheme to realize the mechanical cooling under unstable and chaotic condition, which may provide a possibility for study of quantum effect in chaotic regime. This project will design a more general radiation pressure cooling protocol to extend the original one and will play an important role in the research of ultrasensitive detection, quantum information processing and macroscopic quantum effect research theoretically.

光机械系统的辐射压冷却能为人们研究介观甚至宏观的量子效应提供一个便利的平台。本项目基于光机械系统辐射压冷却的基本思想，利用光机械系统自身的特点以及兼容性强的特性，从现有的实验条件出发探索辐射压冷却的优化方案。在强驱动和弱耦合条件下，研究光学模式和机械模式初始关联以及形式上更为普适的非马尔科夫环境对谐振子辐射压冷却效果的优化与控制。此外，还将研究光机械系统的非线性特性，考虑非稳态和混沌状态下的机械振子冷却，为研究混沌下的量子特性提供可能。本项目将从理论上给出一个更为普适的光机械辐射压冷却方案，加深对光机械辐射压冷却的理解，并对超灵敏探测、光机械量子信息处理、宏观物体的量子效应等相关问题的研究起到一定的理论指导作用。

谐振子的基态冷却是研究以及应用其量子效应的先决条件，而基于光机械系统的边带冷却则为我们提供了一个十分有效的冷却手段。本项目主要从三个方面对开放系统中基于光机械系统的辐射压冷却进行了理论研究。首先，我们研究光学模式和机械模式初始关联在非马尔科夫环境中对谐振子辐射压冷却效果的优化与控制，在研究中我们发现，通常人们认为主导加热的反旋波相互作用，在非马尔科夫环境中可极大的于优化冷却效果，此外系统的初始关联还可以用于提升基态冷却的速率。其次，我们研究了光机械谐振腔在不稳定区域的边带冷却优化。发现了光子存在明显的双稳态效应，即使在单光子弱耦合的情况下也可以实现强非线性效应从而优化边带冷却，与传统的线性化冷却方案相比我们的方案能将稳态冷却声子数降低2到4个量级。最后，我们将辐射压冷却作为实现机械模式量子行为的技术手段，探索了光机械系统在制备和控制机械模式纠缠以及将机械振子作为探针执行量子超灵敏探测方面的应用。在机械模式纠缠可控制方面我们通过调节激光驱动的合适参数产生和控制两个谐振子之间的稳态纠缠。在超灵敏探测方面，我们利用两个谐振子探测端口之间的量子关联可以使得探测噪声突破标准量子极限，在实验给定的参数下，模拟弱磁场检测精度可达8.4×10^(-20) T。此外，我们还在数值方法上做出了改进，提出了一种求解耗散哈密顿系统动力学的有效Spectral-Galerkin方法，与现有的方法相比，我们的方法具有更高的精度和更短的计算时间。本项目在理论和数值上从多角度对光机械系统的辐射压冷却进行了探索，深化了对光机械辐射压冷却的理解，改进了其中的部分处理手段，并对超灵敏探测、光机械量子信息处理、宏观物体的量子效应等相关问题的研究起到一定的理论指导作用。