腔量子电动力学与腔光力学的融合

This project will investigate quantum effects in the combined system of the cavity quantum electrodynamics (CQED) and the cavity optomechanics (COM). In the traditional CQED systems, the cavity-mirrors are fixed, and the quantum effects of atoms and cavity fields are studied. In the traditional COM systems, there is no atom, and the quantum effects of cavity-fields and cavity- mirrors are studied. In this project, we will consider the situations: (1) the cavity-mirrors in the CQED systems can oscillate, and (2) atoms can be trapped in or pass through the COM systems. In these ways, we extend the two-element coupled system of atom and cavity-field and the two-element coupled system of cavity-field and cavity-mirror to the three-element coupled system of atom (microscopic system), cavity-field (electromagnetic motion) and cavity- mirror (macroscopic system). This will allow us to study: (1) the effects of the mechanical motion of a macroscopic system on the interaction between a microscopic system and electromagnetic fields; (2) the interaction between electromagnetic motion and mechanical motion; (3) the correlation (including entanglement) between microscopic systems and macroscopic systems; and (4) the quantum effects of macroscopic systems. Therefore, this project is important in both basic studies and applications.

本项目拟研究腔量子电动力学(CQED)与腔光力学(COM) 融合系统中的量子效应。在传统的CQED系统中，腔镜是固定的，研究的是原子-光场(主要是腔场)二元相互作用过程中的量子效应；在传统的COM系统中，不包含原子，研究的是光场(包括腔场和外场)-振动腔镜二元相互作用过程中的量子效应。本项目将考虑：（1）在CQED系统中允许腔镜振动；（2）在COM系统中让原子穿过。这样就将原子-光场二元相互作用系统和光场-振动腔镜二元相互作用系统扩展为原子（微观体系）-光场（电磁运动）-振动腔镜（作机械运动的宏观体系）三元相互作用系统。通过对该类系统的研究，我们可以考查：（1）宏观体系的机械运动对微观体系与电磁场相互作用的影响；（2）电磁运动与机械运动的相互作用；（3）微观体系与宏观体系的量子关联；（4）宏观体系的量子效应等。因此，从基础研究和应用研究两方面来看，开展本项目的研究都具有十分重要的意义。

腔量子电动力学（Cavity Quantum Electrodynamics: CQED）研究谐振腔中的光场与原子之间的二元相互作用，其中谐振腔的腔镜是固定不动的。人们在腔量子电动力学的研究中发现了光场和原子的许多量子效应，例如：光场的压缩态、光子数亚泊松分布、光子反聚束效应、原子布居数的崩塌与复苏效应、光子与原子之间的纠缠态等，这些效应有着重要的科学意义与应用前景。腔光力学（Cavity Optomechanics: COM）研究谐振腔中的光场与作机械振动的腔镜之间的二元相互作用，换句话说，研究的是电磁运动与机械运动之间的相互作用。人们在腔光力学的研究过程中发现了光场模和机械振动模的许多量子效应。本项目将腔量子电动力学系统与腔光力学系统相融合，从而将原子-光场二元相互作用系统和光场-振动腔镜二元相互作用系统扩展为原子（微观体系）-光场（电磁运动）-振动腔镜（作机械运动的宏观体系）三元相互作用系统。我们系统地研究了该三元相互作用系统中的量子效应，包括：正则模劈裂、光力诱导透明、光力诱导放大或吸收、光力诱导快慢光效应、高阶边带的产生、光场模和/或机械模的正交压缩态、光场模和/或机械模的反聚束效应、光场模和/或机械模的量子纠缠等，特别是研究了原子的存在对上列量子效应的影响，取得了一系列有意义的研究成果。这些效应有着重要的学术意义与应用前景（例如在精密测量和量子传感中提高信噪比和测量精度；用于量子信息处理；用于宏观系统叠加态、纠缠态的制备等）。另外，我们注意到关于参量估算的研究已发展成为一个新的重要研究方向，并且腔量子电动力学与腔光力学融合系统有可能应用于参量估算的研究，因此我们也开展了参量估算领域的研究工作，并取得了一定的研究成果。. 在本项目执行期间，发表期刊学术论文30余篇，其中作为通信作者的28篇。. 在本项目执行期间，培养博士生3名，硕士生13名。