利用库仑相互作用实现双腔光力系统的相干控制

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量子力学与相对论并称为现代物理的两大支柱,量子力学作为原子物理、固体物理、粒子物理等一系列学科的基础,其重要性不言而喻。其中,量子光学作为量子力学的一个主要分支,向来是探究的前沿阵地。二十世纪六十年代激光的出现,使得微弱而不易被探测的光压能够得以利用。为了达到在法布里-珀罗腔(Fabry-Perot bulk optical cavity,简称FP腔)中形成腔光力系统的目的,可以利用光压效应让光学自由度与力学自由度彼此之间形成耦合。随着纳米技术与半导体技术的不断发展与进步,腔光力系统的尺寸达到了微纳米量级,可以表现出纯粹的量子效应,从而可以验证很多量子物理的基本定律,进行精确测量,以及研究介观物质的量子性质等等。此外,人们还发明了拥有更高品质因数与极小模式体积的回音壁模式微腔与光子晶体微腔,在腔量子电动力学、声光耦合、高灵敏度生化传感、低阈值激光器等领域均取得了累累硕果。本文从光力学的基本理论出发,探究由两束强驱动光与两束弱探测光所驱动的双腔光力系统。此系统由一个高品质FP腔与两个纳米振子构成,两个机械振子都带有电荷,彼此间会产生库仑相互作用。其中,耗散振子放置在腔内,具有百分之百的反射率,从而将FP腔分成了左右两个独立的光学腔,增益振子则放置在腔外。依据体系的哈密顿量获得量子郎之万方程,并且通过算符乘积分解近似获得体系算符的稳态平均值,之后再把每个算符写成平均值与微小涨落之和的形式,从而得到线性化的量子郎之万方程。再经过一系列合理的简化并假设郎之万方程的稳态解形式,求解出郎之万方程。最终利用光腔的输入输出关系能够得出输出场分量。在选择合理的系统参数进行数值模拟的前提下,通过调节库仑相互作用所对应的参数,能够在体系中实现相干完美吸收、相干完美透射以及输出信号放大,即控制探测场在体系中的动态传播特征。众所周知,腔光力系统在量子信息处理与量子通信方面有着重要的应用,具备易储存、传输快等优势。因此本文所实现的这种动态控制为制造新型光子器件提供了理论参考,比如光子开关、光子路由等等,对推动量子信息网络的发展具有重要意义。
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