腔光机械系统中的少光子非线性效应及其应用

The studies about the cavity optomechanical systems have emerged as an important new frontier in many disciplines, such as physics, matericals and information science. Combining with quantum optics, nonlinear optics and nano-materical sicence, this project will explore few-photon nonlinear optical effects, such as photon blockade, quantum squeezing, quantum phase transition, and huge-phase-shift, etc., in an single cavity optomechanical system or large-scale optomechanical array. Then, we will discuss the applications of these effects in the tunable single-photon source, single-photon switching, high-precise measurement, photon-phonon conversion, quantum simulation and all-optical quantum computing, etc.. At the same time, we will study the application of large-scale cavity optomechanical array in the research and development of new-type quantum devices. Our research may have the effect of not only promoting the intersection and merging of various disciplines like quantum optics, nonlinear optics, and materials science, but also providing the theoretical basis and reference for the research and development of new nano-quantum devices.

腔光机械系统的研究已经成为物理、材料、信息等相关学科的前沿问题。本项目旨在结合量子光学、非线性光学以及纳米材料学，研究单个腔光机械及其阵列系统中的少光子非线性效应（如光子阻塞、量子压缩、量子相变、巨相移效应等）的特性和机理，进而探讨它们在可调谐单光子源、单光子开关、量子精密测量、光子-声子转化、量子模拟以及全光量子计算等方面应用的新方案。同时，研究大尺度腔光机械阵列系统在新型量子器件研发方面的应用。这种研究不仅有助于促进量子光学，非线性光学和纳米材料学之间的交叉融合，而且对于新型纳米量子器件的研发提供一定的理论依据。

腔光机械系统中的少光子非线性效应及其应用的研究是近年来物理学中十分重要的前沿研究课题。尽管已有大量的研究，至今依然存在许多未解决的问题。例如: 如何提高单光子光机械耦合强度至强耦合机制，从而在现有实验条件下，实现少光子/声子的相干操控。弱耦合光机械系统中的有趣非线性效应及其应用等。..该项目研究了腔光机械系统中的少光子非线性效应及其产生机理。探索了光机械非线性诱导的光子阻塞、量子纠缠、量子压缩等有趣量子效应，提出了如何在弱耦合光机械系统中执行量子调控的新方案。主要的结果有：1）初步构建了压缩光力学的理论框架，提出指数增强单光子光机械耦合强度的有效方案。2）揭示宇称-时间（PT）对称性对光机械非线性特性的影响。3）弱耦合光机械系统中的强Kerr非线性实现。4）提出光力冷却诱导宏观量子效应的有效方案。..在项目基金的支持下，截至结题报告撰写时本课题四年期限已发表SCI论文18篇，具体包括3篇Physical Review Letters、5篇Physical Review A、1篇Optics Letters、3篇Optics Express、4篇Science Reports、1篇Science China-Physics Mechanics & Astronamy和1篇Annals of Physics。3篇论文被选为ESI高被引论文。..我们研究成果不仅有助于促进量子光学和非线性光学之间的交叉融合，而且对于新型量子器件的研发提供一定的理论依据。