复合腔光力系统中算符法结合条件测量制备量子态及其量子Tomography研究

Non-classical quantum state in cavity optomechanical system is precious quantum resource in the fields of macroscopic quantum physics, quantum precision measurement and quantum information processing. Aiming at the defect of the master equation approach in the aspect of producing quantum state, our project proposes to construct composite cavity optomechanical systems and prepares optical and mechanical quantum states by virtue of the combination of time evolution operator and conditional measurement, and then researches their non-classical properties. We introduce the non-Gaussian operation on optical field by means of beam splitter and parametric amplifier and study how the presence of this non-Gaussian operation affects the non-classical properties of the optomechanical quantum states and mechanical quantum states. On the other hand, in view of the fact that the study of quantum Tomography theory is still lagging behind at present, we develop the quantum Tomography theory within cavity optomechanics and calculate the Tomogram of the quantum states with mechanical mode by establishing position–momentum-intermediate representation of the mechanical mode and optomechanics-intermediate entangled state representation. The research of this project will provide new information carriers for the further application of cavity optomechanics and useful references for the experimental designs of Tomography in cavity optomechanics.

腔光力系统中的非经典量子态是研究宏观量子物理、量子精密测量和量子信息处理等方面宝贵的量子资源。针对当前主方程法在制备腔光力系统量子态上存在的不足，本项目提出构造复合腔光力系统，利用复合系统的时间演化算符与条件测量相结合的方法制备量子态，进而研究它们的非经典性质。通过分束器和参量放大器引入非高斯操作，研究这种直接执行于腔场的非高斯操作对所制备的光-机械量子态、机械量子态非经典性质的影响。另一方面，当前机械量子态、光-机械量子态量子Tomography重构的理论研究还十分滞后，为此，通过建立机械振动模坐标-动量中介表象、腔模与机械振动模中介纠缠态表象，发展腔光力学中的量子Tomography理论，并计算含机械振动模量子态的Tomogram。本项目的研究将为腔光力学进一步应用提供新的信息载体，并为腔光力学中的Tomography实验设计研究提供有益的理论参考。

腔光力系统中的非经典态作为一种宝贵的信息载体和量子资源具有广泛的应用前景。本项目主要利用腔光力系统的时间演化算符结合条件测量制备出了一些新的腔-机械量子态并对其进行Tomography测量，重点研究了这些所制备量子态的各种非经典性和纠缠特性。项目实施期间，共发表SCI论文14篇，主要研究内容包括：1)探讨了复合型腔光力系统的非经典性质和纠缠特性及其在退相干环境中系统非经典特性及纠缠动力学演化，揭示了辅助模式中引入的系统参量对光力系统量子态的非经典性和纠缠特性有较好的调控作用；2)提出了利用光分束器并结合量子测量手段制备腔光力系统非高斯量子态的理论方案，研究表明执行于辅助模的条件测量(量子催化)能够有效改善腔光力系统量子态的非经典特性；3)基于光分束器和参量放大器执行的量子测量以及光子增加操作，先后讨论了量子催化压缩真空态、双变量厄米多项式激发压缩真空态、增光子诱导相干态、增光子压缩热态等量子态的非经典性，阐明了这些经量子催化和光子增加操作产生的非经典态具有非高斯属性以及更加显著的非经典性；4)进一步拓展研究了复合腔光磁系统中的磁子阻塞效应，指出了磁子和量子比特在强耦合、弱耦合以及中等强度耦合条件下产生磁子阻塞的物理机制与最优化参数条件。这些研究成果将为人们研究宏观量子物理、量子精密测量、量子信息处理以及为实验上实现可控的量子信息载体提供有益的理论参考。