冷原子系综与腔光力学耦合系统中的非线性量子效应

With the development of material science and nanotechnology, micromechanical and nanomechanical oscillator have aroused broad interest recently. The micromechanical oscillators responding to electric, magnetic and optical forces have been manufactured in experiment. Sophisticated techniques for cooling and coherent excitation of mechanical modes have been developed, providing access to the quantum ground state. Micromechanical oscillator can serve as a quantum transducer to couple distinct quantum systems and then realize scalability. In the applicant’s previous project funded by the National Natural Science Foundation of China for the young scientists, the nonlinear quantum optical effects are implemented in the cold atom ensemble-optical cavity coupling system. In order to realize its application in quantum communication and computation, with our previous research results, in this project we will couple the cold atom ensemble and micromechanical oscillator via optical resonator and investigate the quantum nonlinear effects in this compound system. Through quantum manipulation, our object is on one hand to realize quantum cooling of the micromechanical oscillator, and on the other to prepare and detect the many-body quantum states of cold atom ensemble. In the meanwhile, we will consider how to establish entanglement channels between micromechanical oscillator and atomic ensembles via the optical resonator, and explore its application in quantum communication and information network.

随着材料科学以及纳米技术的发展，微机械振子乃至纳米机械振子得到了人们广泛的关注，响应电力、磁力和光力的微机械振子已经在实验室中制备出来了。冷却和相干激发微机械振子的复杂技术也得到发展，现在已经能够将微机械振子冷却到其力学振动模式的量子基态。微机械振子可做为传感器来连接不同的量子系统，从而实现量子设备的可扩展性。申请人通过之前的青年科学基金项目，在冷原子系综与光腔耦合系统中实现了非线性量子光学效应。为了扩展此量子系统使之应用于量子通讯与计算，本项目将基于申请人之前的研究结果，通过光学谐振腔将冷原子系综与微机械振子耦合起来，并研究此复合系统中的量子非线性效应。其目标是对此复合系统进行量子调控，一方面实现微机械振子的量子冷却，另一方面利用微机械振子来制备与探测冷原子系综的多体量子态。同时我们将研究通过光学谐振腔来建立冷原子系综与微机械振子之间的纠缠通道，探索其在量子通讯与信息网络中的应用。

随着冷原子物理的发展以及激光技术的进步，人们已经在实验室中成功的制备了光学谐振腔、冷原子系综和微机械振子的耦合系统。本项目致力于探讨在此复合系统中如何实现量子非线性效应，以及在此基础上实现原子系综多体量子态的制备与探测，并探索其在量子通讯与计算中的应用。经过4年的研究工作，我们取得了一系列研究成果。通过将标量或旋量原子凝聚体耦合到光腔中，我们发现在此系统中诱导非线性的超流-莫特绝缘体跃迁，并绘制了此系统的奇异相图。如果通过激光在原子中诱导双光子拉曼跃迁，还可产生原子自旋-轨道耦合与腔内光场之间的相互作用。我们还研究了一系列依赖于原子自旋-轨道耦合的原子光学器件如反射镜等，发现其可用于原子自旋流的制备。我们还设计了一个实验方案来实现Dirac-Weyl费米子的分束，其将在自旋依赖的粒子干涉仪中找到可能的应用。通过本项目，我们深刻的理解了冷原子与光学谐振腔耦合系统的量子性质，在此基础上提出了一系列方案用于此系统的量子调控。