腔光力系统中的量子效应及其量子调控

Cavity optomechanics, as a frontier scientific research field, studies the radiation pressure interaction between electromagnetic fields and mechanical oscillators. The study of cavity optomechanics has significance in both the basic science research and the forefront application of science and technology. This project will address the issue of quantum effects and quantum manipulation in cavity optomechanical systems. Our research will focus on the following four topics: (i) We will study how to design reasonable driving wave packets and pulses to control the optical and mechanical degrees of freedoms by using the dynamical linearization method; we will also explore some novel quantum effects such as quantum interference and quantum entanglement in cavity optomechanical systems, and study how to realize quantum manipulation of mechanical motion. (ii) We will study the interactions between few photons and few phonons when the cavity optomechanical systems work in the single-photon strong-coupling regime, and consider the pulse shaping engineering of cavity emitted photons caused by moving ending mirror. (iii) We will study the crossover character of quantum statistical properties in cavity optomechanical systems in the moderate-driving regime by separating their classical and quantum motions. (iv) We will propose a coupled system by combining a one-dimensional coupled cavity array and an optomechanical cavity, and study the photon-phonon interaction and phonon-assisted photon scattering in the multimode optomechanical system. This project will not only deepen the understanding of cavity optomechanics and widen the application potential of cavity optomechanical systems, but also be helpful to the development of quantum physics, quantum optics, and quantum information science.

腔光力学是研究电磁场和力学振子之间辐射压力相互作用的前沿科研领域。腔光力学的研究具有基础科学研究和前沿科技应用研究的双重意义。本项目将研究腔光力系统中的量子效应及其量子调控。具体内容有：（一）利用动态线性化的方法研究如何设计合理的驱动波包和脉冲来调控光学和力学自由度，探索光力系统中的新奇量子效应如量子干涉和量子纠缠、以及研究如何实现对振子力学运动的量子调控；（二）研究单光子强耦合机制下腔光力系统中的少光子和少声子相互作用，探讨运动腔壁对辐射光子的波形调控工程；（三）采用经典和量子运动分离的办法来研究中等驱动腔光力系统中的量子统计性质及其过渡特征；（四）构建一维腔链与光力腔耦合系统，研究多模光力系统中的光子声子相互作用以及声子辅助的光子散射。本项目的研究不仅将加深人们对腔光力学的理解和拓宽腔光力系统的应用前景，还将对量子物理、量子光学和量子信息的发展起到一定的帮助作用。

腔光力学是由量子物理学、光学和纳米科学等领域交叉融合形成的前沿研究领域，其主要研究光学和力学自由度之间辐射压力相互作用及其产生的各种物理效应。腔光力学的研究具有基础理论研究和前沿科技应用研究的双重科学意义。本项目研究腔光力系统中的量子效应及其量子调控，主要在动态耦合腔光力学、单光子强耦合区腔光力学、中间驱动参数区腔光力学和多模腔光力学四个方面开展研究。具体上，我们提出了实现力学振子加速基态冷却的绝热捷径方法，发现了腔光力学系统中产生辐射声子对的动态调控物理机制。在多模腔光力学方面，提出了相位依赖环形耦合方法及辅助腔场方法打破力学暗模效应，实现了并联耦合多力学振子的协同基态冷却。同时，提出了多米诺冷却的概念，实现处于边带不可分辨参数区串联耦合多力学振子的协同基态冷却。在单光子强耦合区腔光力学方面，我们提出了非互易光子阻塞的概念，发现了双腔光力系统中光子阻塞效应的声子边带劈裂现象。另外，基于交叉克尔相互作用和Fredkin型耦合系统，我们提出了实现光力和混合光力相互作用的量子模拟方案。最后，我们也研究了基于混合腔光力系统的弱力探测方案，发现在单光子强耦合区实现弱力探测的光谱方法。这些研究结果不仅对发现光力系统中的新奇量子效应具有重要意义，而且对发展量子精密测量和量子信息处理等未来量子科技具有很好的指导作用。