纳米机械振子体系的非经典振动态与量子退相干性质的研究

Recently, the generation of steady nonclassical mechanical states which are robust against environmental thermal fluctuations by cavity optomechanics has attracted a lot of attention in the fields of quantum optics and quantun information. In this proposal, we will investigate the dissipative preparation of steady and robust nonclassical mechanical states by engineering appropriate dissipation processes of the mechanical modes (such as two-phonon absorption and emisson, and two-mode and multimode squeezed vaccum reservoirs of phonons) via optomechanical couplings and cavity dissipation. Besides non-Gaussian nonclassical mechanical states of a single nanomechanical oscillator, these nonclassical states also include Gaussian and non-Gaussian mechanical entangled states of two and multiple remote nanomechanical oscillators. Then, we will non-perturbatively reveal the effects of thermal environment on the mechanical nonclassical states, carry exact study on the decoherence of coupled mechanical oscillators in asymmetric noisy channels, and also discuss the production of non-equilibrium multimode mechanical entanglement of coupled nanomechanical oscillators with tunable couplings in high-temperature environment. Furthermore, effective schemes will be proposed to suppress decoherece of nanomechanical systems in thermal environment by the way such as dynamical decoupling, to obtain the optimal nonclasscial mechanical states in the thermal environment. We will also discuss the possible applictions of the nonclassical mechanical states in high precision measurements and quantum information processing. This proposal will produce positive effects on the current researches about nonclassical features of nanomechanical systems and related quantum information processing.

当前，探讨如何在光机械系统中实现稳定的、抗热环境干扰能力强的纳米机械振子体系的非经典振动态及其应用是量子光学与量子信息领域中的研究热点之一。本项目将研究利用光腔中的光机械耦合构建出纳米机械振子体系有效的耗散过程,如：双声子吸收与加热、双模和多模压缩声子库，从而耗散性地制备稳定的、抗热环境干扰能力强的两个和多个远距离振子体系的高斯与非高斯纠缠态以及单个振子的非高斯型的非经典态；利用非微扰理论准确地揭示热环境对振子体系的非经典性质的影响，精确研究不同类型的耦合振子体系在非对称噪声通道中的退相干性质，并探讨如何在多个耦合振子体系中实现高温环境下非平衡的多模振动纠缠态；通过动力学退耦等方法来抑制振子体系的退相干并提出实验可行的方案，从而获得热环境中最佳的非经典振动态；讨论振子体系的非经典效应在高精密测量以及量子信息处理中的应用。本项目将深化有关纳米机械振子体系的非经典特性及相关量子信息处理的研究。

当前，探讨如何在腔光力系统中实现稳定的、抗热环境干扰能力强的微纳机械振子体系的非经典振动态及其应用是量子光学与量子信息领域中的研究热点之一。 本项目主要研究了：（1）通过光力线性耦合和光腔间的耦合，选择合适的驱动激光场，并利用腔场耗散构建出振子体系有效的双模压缩真空库和多模压缩库，使得体系在稳态区域处于双模压缩真空态和多模压缩纠缠态，且压缩不依赖于腔场的耗散率而只与驱动场间的相对强度有关；(2)通过腔场与振子之间的非线性二阶光力耦合、单光子强光耦合，利用双束激光驱动，由于跃迁通道之间的量子干涉，体系处于所需振子态和腔场真空态的本征态，在腔场耗散的作用下，振子最终处于稳定的目标态，如薛定谔猫态、真空和N声子Fock态的叠加态或近似N声子Fock态；（3）揭示退相干过程对量子引导关联的影响，我们发现在电-光-力体系中，在弱声子耗散的情况下，当两腔场呈现出反对称的退相干通道时，则耗散小的腔场的量子态可以被耗散大的腔场所操控，而反之非亦然，从而实现单向的量子引导，若二者耗散强度相同，则腔场间没有量子引导关联；强的声子耗散亦可以破坏两腔场态的对称性，导致腔场与微波场间的强的单向的量子引导关联, 且在此情况下，腔输出场的单向量子引导在很宽的谱范围内皆可实现；另外，我们还发现对于双通道的单向级联型耦合体系，单向的量子引导的方向只可能是从前面的系统到后面的系统，即单向引导的方向与耦合方向一致；(4) 构建出合适的里德堡原子态与带电纳米机械振子之间的耦合或以光为中介的双lambda原子与远距离微机械振子间双通道耗散性的耦合，实现机械振子的量子调控，如快速的基态冷却，实现振子的量子叠加态、纠缠NOON态和压缩态等。除了可用于验证量子力学基本原理外，上述研究结果在高精密量子测量和量子信息处理等方面有着一定的研究意义。