利用飞行原子操控腔光机械系统的纠缠和压缩性质

通信作者

张智明

华南师范大学量子调控工程与量子材料广东省重点实验室/微纳光子功能材料与器件广东省重点实验室

研究背景

腔光机械系统【1】是一类利用高品质光学微腔来增强光场与机械振子之间相互作用的装置，通过这种系统人们获得了使用辐射光压来对机械运动进行量子调控或者用机械控制来调节光场的方法。利用飞行原子穿越腔场【2】或光学囚禁【3】等方法，可以将原子体系加入腔光机械系统中，构成原子辅助的腔光机械系统模型。与传统的腔光机械系统相比，加入辅助的原子或原子系综可以出现原子(原子系综)-光场-机械振子三者之间的相互作用，进而产生出更加丰富的物理效应。 

腔光机械系统中包含了两种不同的客观物体，即光与机械振子。如何实现这两种物体的量子关联是一个非常有意义的研究课题，具体来说就是如何实现微观的光子与介观甚至宏观的机械振子之间的量子纠缠。这在本质上与1935年薛定谔提出的“薛定谔猫态”（光子可以看成放射性原子，宏观机械振子可以看成“猫”）是一样的。而加入原子体系，则让这一问题变的更加有趣，人们可以设法创造不同物体之间更多自由度的非经典关联。 

2007年，Vitali 等人【4】在理论上展示了怎样实现光学腔模和宏观振动模式间的稳态纠缠，给出了度量这种纠缠的方法，并且设计了实验方案来读取该纠缠态。同年，Paternostro等人【5】研究了如何利用腔场实现两个机械振子的纠缠。2008年，Genes等人【6】研究了含有原子系综的腔光机械系统中的两体纠缠和三体纠缠，他们的方案可以在目前的实验条件下实现，并且对环境温度并不敏感。2011年, Børkje等人【7】提出方案，可以创造和验证两个远距离的机械振子之间的纠缠。2013年， Palomaki等人【8】在实验上实现了微波光子和机械振子之间的纠缠。2014年，廖洁桥等人【9】提出方案，可以利用二能级原子产生和验证两个宏观机械振子之间的纠缠。目前，在原子辅助的腔光机械系统产生和操控各种非经典关联仍是人们发展和关注的重要方向。 

研究结果和亮点

最近，华南师范大学张智明教授研究小组提出【10】，利用飞行原子产生腔光机械系统中单量子水平的光子-声子纠缠。如图1所示，利用一个处于激发态的飞行二能级原子穿过腔光机械系统，原子在腔中与腔场光子发生耦合，同时腔场光子又与机械振子通过辐射压力耦合，三者相互作用一段时间后，原子离开腔场，对原子状态进行探测，可以产生和操控腔光机械系统中单量子水平的光子-声子纠缠态。 

图1该方案中飞行原子的时间序列.

他们利用数值计算模拟出光子-声子纠缠的纠缠度Concurrence随着两段时间（T₁:原子从进入腔到离开腔的时间;T₂:原子从离开腔到进入探测器的时间）的变化（图2）。研究发现，当原子处在腔中时，系统的非对角元会随着时间振荡衰减，纠缠度Concurrence也随之振荡衰减。当原子离开腔场后，系统哈密顿量只改变系统的相位，体系的非对角元由于耗散而随时间指数衰减，纠缠度Concurrence也随之指数衰减。 

图2 纠缠度Concurrence随着T₁ 和T₂ 变化.

该研究从理论上提出了利用飞行原子产生腔光机械系统中光子-声子纠缠的方案。在该方案中，可以通过控制原子速度来控制原子与腔光机械系统的相互作用时间，进而操控腔光机械系统的纠缠性质。此外，该研究还进一步讨论了光子-声子间的双模压缩性质。该研究为实现操控宏观物体的量子纠缠和压缩提供了新的思路。

参考文献

[1]  M. Aspelmeyer, T. J. Kippenberg, and F. Marquardt, Cavity optomechanics, Rev. Mod. Phys. 86(4), 1391 (2014)

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[3]  C. E. Wieman, D. E. Pritchard, and D. J. Wineland, Atom cooling, trapping, and quantum manipulation, Rev. Mod. Phys. 71(2), S253 (1999)

[4] D. Vitali, S. Gigan, A. Ferreira, et al., Optomechanical entanglement between a movable mirror and a cavity field, Phys. Rev. Lett. 98(3), 030405 (2007)

[5] M. Paternostro, D. Vitali, S. Gigan, et al., Creating and probing multipartite macroscopic entanglement with light, Phys. Rev. Lett. 99(25), 250401 (2007)

[6]  C. Genes, D. Vitali, and P. Tombesi, Emergence of atom-light-mirror entanglement inside an optical cavity, Phys. Rev. A 77(5), 050307 (2008)

[7]  K. Børkje, A. Nunnenkamp, and S. M. Girvin, Proposal for entangling remote micromechanical oscillators via optical measurements, Phys. Rev. Lett. 107(12), 123601 (2011)

[8]  T. A. Palomaki, J. D. Teufel, R. W. Simmonds, et al., Entangling mechanical motion with microwave field, Science 342(6159), 710 (2013)

[9] J. Q. Liao, Q. Q. Wu, and F. Nori, Entangling two macroscopic mechanical mirrors in a two-cavity optomechanical system, Phys. Rev. A 89(1), 014302 (2014)

[10] J.-H. Liu, Y.-B. Zhang, Y.-F. Yu, and Z.-M. Zhang, Photon-phonon squeezing and entanglement in a cavity optomechanical system with a flying atom, Front. Phys. 14(1), 12601 (2019)

文献链接

Jun-Hao Liu, Yu-Bao Zhang, Ya-Fei Yu, and Zhi-Ming Zhang, Photon-phonon squeezing and entanglement in a cavity optomechanical system with a flying atom, Front. Phys. 14(1), 12601 (2019)

相关文章

X. B. Yan, W. Z. Jia, Y. Li, J. H. Wu, X. L. Li, and H. W. Mu, Optomechanically induced amplification and perfect transparency in double-cavity optomechanics, Front. Phys. 10(3), 351 (2015)

Y. W. Hu, Y. F. Xiao, Y. C. Liu, and Q. Gong, Optomechanical sensing with on-chip microcavities, Front. Phys. 8(5), 475 (2013)

K. Y. Zhang, L. Zhou, G. J. Dong, and W. P. Zhang, Cavity optomechanics with cold atomic gas, Front. Phys. 6(3), 237 (2011)