基于量子干涉的声子阻塞效应及其应用研究

Quantum opto-mechanical system is a type of newly-developed quantum system, seeking for the control of quantum mechanical interaction between electromagnetic radiation and bulk mechanical resonators. Due to its ability of easy control and other excellent unique features, it plays a significant role in fundamental quantum mechanical research and quantum information processing and it is one of most promising platforms for quantum computation. This field has experienced great development during the past decade. Uq to now, manipulation of opto-mechanical systems at single-quanta level, i.e., at the single-phonon level, has been studies by several groups and exciting results have been presented. In this project, we aim to study opto-mechanics at the single phonon level via "phonon blockade" mechanism. More Specifically, our goals to be achieved are as follows: 1. Realizing phonon blockade effect via quantum interference with weak nonliearity and discussing the factors and methods of improving the blockade efficiency and decreasing the exciting probability of multi-phonon state; 2. Generating on-demand single-phonon source and timing-gap controllable phonon series and optimizing the system parameters. 3. Studying the quantum properties of the generated single-phonon sources using the phase space theory.

腔光机械系统是一种新型的光-声复合量子系统，由于其诸多新颖的量子特性，在检验基本量子力学理论和量子信息处理方面有着极其重要的理论和应用前景，故而成为当前国际物理学的研究热点之一和公认的量子信息处理器的理想候选。目前人们已经利用腔光机械系统开展了单量子水平下的声子非线性研究，取得了重要的进展。基于如上背景，本项目拟： 1）探索通道间的量子干涉在弱非线性条件下如何实现声子阻塞，在此基础上研究如何提高声子阻塞效率，抑制多声子态的激发几率； 2）构建按需制备单声子脉冲和可控间隔单声子脉冲串的方案，寻求最优参数条件，为实现单声子源做准备； 3）采用相空间理论研究单声子源的量子特性。

作为机械振子的单量子激发——声子在量子信息处理、精密测量等方面有着极其重要的作用，也是目前的研究热点之一。本项目主要研究如何利用量子干涉实现声子阻塞效应并在此基础上构建单声子源。项目执行中主要利用主方程和有限空间截断的办法对系统进行解析和数值分析。研究发现通道间的相消干涉确实是实现声子场完美反聚束的物理根源。在考虑到温度效应后，结果表明声子场的量子统计特性与零温时相比表现迥异，在温度域内出现了类似于相变的行为。在充分研究声子阻塞效应的基础上，我们提出了利用高斯脉冲激发的方式实现按需制备单声子源。该声子源具有纯度高的优良特性。此外，我们还研究了耦合机械振子诱导透明现象，指出该系统可用于弱力探测，其探测极限已低于量子极限。本项目的研究已在国内外重要学术刊物上发表SCI收录的论文7篇，包含Phys. Rev. A 3篇，Optics Express 1篇。项目经过四年执行基本完成了预期目标。通过本项目的研究，丰富了我们对声子阻塞效应物理机制的认识，促进我国在量子声子学以及单声子在量子信息技术上的应用的研究。