光子阻塞效应

强耦合下的光子阻塞效应研究学生：董昌瑞物理与光电工程学院指导教师：邹金花物理与光电工程学院一、题目来源题目源于指导教师邹金花的科研项目二、研究的目的和意义随着机械系统和光学微腔的广泛应用与发展，光机械腔中镜子和腔场间的耦合，使光机械系统成为人们考察宏观量子现象、检验量子理论的重要。与此同时，光机械腔在引力波探测、微小位移和质量的精密测量等方面有着重要的应用前景。在低温时，足够小的金属半导体装置表现出“库伦阻塞”效应，在这装置中的电荷转移是以电子和电子的相互作用为基础的。在原子腔强耦合情况下含有一个束缚态原子的光学腔中，第一个光子在原子腔系统中的受激阻塞了第二个光子的传输，进而引起一种传输场中有序的光子流。“光子阻塞”效应已经被用于在光学系统中的光传输。三、阅读的主要参考文献及资料名称[1]ARidolfo,MLeib,SSavasta,MJHartmann.PhotonBlockadeintheUltrastrongCouplingRegime[J].Phys.Rev.Lett.,2012,109:193602-1~193602-5[2]JieqiaoLiao,CKLaw.Coolingofamirrorincavityoptomechanicswithachirpedpulse[J].Phys.Rev.A,2011,84:053838-1~053838-6[3]PKomar,SDBennett,KStannigel,SJMHabraken,PRabl,PZoller,MDLukin.Single-photonnonlinearitiesintwo-modeoptomechanics[J].Phys.Rev.A,2013,87:013839-1~013839-10[4]TRamos,VSudhir,KStannigel,PZoller,TKippenbrg.Nonlinearquantumoptomechanicsviaindividualintrinsictwo-leveldefects[J].Phys.Rev.Lett.,2013,110:193602-1~193602-5[5]GAnetsberger,OArcizet,QPUnterreithmeier,RRiviere,ASchliesser,EMWeig,JPKotthaus,TKippenberg.Near-fieldcavityoptomechanicswithnanomechanicaloscillators[J].Nat.Phys.,2009,5:909~914[6]SJMHabraken,WLechner,PZoller.Resonancesindissipativeoptomechanicswithnanoparticles:Sorting,speedrectification,andtransversecoolings[J].Phys.Rev.A,2013,87:053808-1~053808-8[7]KQu,GSAgarwal.Fanoresonancesandtheircontrolinoptomechanics[J].Phys.Rev.A,2013,87:063813-1~063813-7[8]ANunnenkamp,KBorkje,SMGirvin.Coolinginthesingle-photonstrong-couplingregimeofcavityoptomechanics[J].Phys.Rev.A,2012,85:051803-1~051803-4[9]YCLiu,YFXiao,XSLuan,CWWong.DynamicDissipativeCoolingofaMechanicalResonatorinStrongCouplingOptomechanics[J].Phys.Rev.A,2013,110:153606-1~153606-5[10]ANunnekamp,KBorkie,SMGirvin.Single-photonoptomechanics[J].Phys.Rev.Lett.,2011,107:063602-1~063602-5[11]JMDobrindt,IWilson-Rae,TJKippenbeg.ParametricNormal-ModeSplittinginCavityOptomechanics[J].Phys.Rev.Lett.,2008,101:263602-1~263602-4[12]Boca,A.etal.ObservationofthevacuumRabispectrumforonetrappedatom.Phys.Rev.Lett.93,233603(2004).[13]Mandel,L.&Wolf,E.OpticalCoherenceandQuantumOptics(CambridgeUniv.Press,Cambridge,1995).[14]樊菲菲.光力振子与原子间量子纠缠和振子压缩的研究[D].武汉：华中师范大学，2014[15]张文慧.光机械腔系统的动力学行为[D].武汉：华中师范大学，2014[16]詹孝贵.腔光机械系统中电磁诱导透明及其相关现象的理论研究[D].武汉：华中科技大学，2013四、内外现状和发展趋势与研究的主攻方向你知道彗星为什么有尾巴吗？你知道宇宙中的太阳帆靠什么来推动吗？它们都是因为光有辐射压力的缘故。早在大约400年前，德国天文学家开普勒（JohannesKepler）就通过观察彗星的彗尾注意到了光压的存在。1871年英国物理学家麦克斯韦（JamesClerkMaxwell）从理论上证明了电磁辐射会对暴露在其下的物体表面施加压力作用1901年苏联物理学家PyotrLebedev以及1903年美国的两位科学家ErnestFoxNichols和GordonFerrieHull分别在实验上证实了光压的存在。由于这种压力非常微弱（如地球上的太阳光压仅10−5N/m2远小于标准大气压105N/m2），在当时并没有引起人们太多的注意。但是自从激光发明之后，人们对光的辐射压力展开了广泛的研究且开发了其在精密测量和微观操控方面的许多重要应用，例如由光辐射压力冷却原子思想发展起来的激光冷却技术提升了原子钟的测量精度以及以光压为基础研制出光镊（或称光钳）用与操控微小粒子等。在实验上通过辐射光压实现的光学、机械系统的耦合已经被许多研究小组所观测到，比如，Walther就在其开创性的工作中观测到了辐射光压，并且证实了双稳态效应的存在。其实在微波领域，这一现象在更早的时候就被Braginsky所观测到了。不仅如此，GrolacherS等人不久前在腔光机械系统中观测到机械振子呈现简正模式分裂的现象，这一现象论证了腔光子与机械振子之间的强耦合作用。最近G.S.garwal等人在Fabry-Perot光机械腔中证实了类似电磁诱导透明现象的光谱。此外，有研究者论证了通过光机械系统实现光机械诱导透明和慢光。事实上，在最近几年内，对于这一课题的研究经历了一个显著的加速过程，这是由于在腔光机械系统领域内大量科研人员在同一个理论框架下不断追寻新的突破的结果。这些不同的方向囊括了纠缠态、压缩态光场、超越标准量子极限的测量以及对量子力学本身正确性的测试等诸多前沿问题。更新奇的是，最近J.D.Teufel等人在强耦合机制下的回路电机械系统中证实了类似于电磁诱导透明的现象。虽然在强光学驱动下，Fabry-Perot光机械腔系统中实现了光学模与机械模的强耦合，然而由于热去相干率太大阻止了系统中量子效应的观测。而J.D.Teufel等人设计的回路电机械系统同时解决了这两个难题。最近Sh.Barzanjeh等人又设计了一种电机械-光机械复合系统，把这两种系统联系了起来，这以后有望制成集成器件。利用光机械系统中的光子阻塞效应产生单光子源。单光子源是量子光学、量子密码、量子通讯和量子计算技术中的关键部件。李志远和硕士生邱柳等提出，利用光机械系统中的光子阻塞效应可以产生优质的单光子源。该系统由包含可变反射镜的高Q光学谐振腔构成，当入射相干光源耦合进入谐振腔时，产生的辐射压力在单光子水平上可以改变谐振腔的共振频率。这种光和纳米机械系统强耦合产生的光子阻塞效应是一种非线性光学效应，可以改变入射光的量子态，产生所需要的出射光量子态。理论研究发现，通过调控入射相干激光光源的性能参数，包括脉冲的宽度、持续时间、波形、面积和振幅等，可以压缩零光子态和多光子态的几率，提高单光子态的几率。五、主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路(1)了解光机械振子的基本知识以及该体系中的光子阻塞效应；(2)翻译英文相关资料；(3)掌握主要文献中的关键方程的推导，熟悉这类问题中的具体计算方法；(4)尝试将这类计算方法应用到实际的模型中进行计算并得到结果。关键问题是完成主要参考文献的关键推导力求掌握一个基本的方法，并将这个方法应用到一个新模型中去，完成新模型的计算和推导过程得到结果。要大量阅读参考文献和参考书，弄清楚光和物质相互作用的基本处理方法。由于以前没有很好的掌握量子力学的内容，所以在做这个论文的时候在理解上会很困难。因此，需要多参考文献，特别要掌握量子光学中关于光和物质相互作用的基本内容，同时还需要加强英语的学习，因为很多重要文献都是用英文写的。在参考别人的文献时需要对里面的公式进行系统的推导，弄懂其中的联系力求掌握一套方法。努力完成对自己的模型的数学推导和结果分析，重点在于推导过程的细节和结果分析的物理意义。强耦合下的光子阻塞效应研究学生：董昌瑞，物理与光电工程学院指导教师：邹金花，物理与光电工程学院[摘要]在强耦合条件下光学腔与物质的相互作用会导致许多特殊的量子现象，腔量子电动力学系统中，对于单原子与单模腔场的强耦合，系统的激发态是双层阶梯状的缀饰态，第一个光子对系统的激发会阻止第二个光子进入系统，即发生光子阻塞效应。在缀饰态下满足特定的条件时可以通过传输场中的光子计数统计观察到光子阻塞。本文通过分析光力振子系统的哈密顿量，并引入压缩变换，计算出发生光子阻塞效应时系统的光子数态，并从二阶关联函数的角度看发生光子阻塞的缀饰态空间光子是聚束的还是反聚束的。[关键词]光腔系统，缀饰态，光子阻塞PhotonblockadeunderstrongcouplingCandidate:ChangruiDong,SchoolofphysicsandoptoelectronicengineeringSupervisor:JinhuaZhou,Schoolofphysicsandoptoelectronicengineering[Abstract]Opticalcavityinteractionwithmatterinthestrongcouplingconditionscancauseanumberofspecificquantumphenomena,cavityQEDsystems,thestrongcouplingofsingleatomsandsingle-cavityfield,thesystemisadoublesteppedexcitedstateconjugationornamentsstate,thefirstphotonexcitationofthesystemwillpreventasecondphotonintothesystem,inotherwordsphotonblockadeoccurs.Whencertainconditionsaremetinthedressedstatecanbeobservedphotonbyphotoncountingstatistics.ByanalyzingtheHamiltoniancyclesystemsintheOpticalcavity,andtheintroductionofcompressedandconvertedtocalculatethephotonnumberstat