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In recent years, the cavity quantum photomechanics has been developed rapidly, and played a very important role in quantum information processing, quantum basic principle verification, and high-precision measurement. The kinds of quantum mechanical behaviors have also been explored and discovered in the study of cavity mechanics. By placing the Kerr medium in the system, quantum nonlinearity is introduced into the optomechanical system. Quantum phase transition is a relatively important part in the research of condensed matter physics. Since Dicke quantum phase transition was successfully observed experimentally, the problem of quantum phase transition in the optical cavity has attracted more attention. The spin-coherent-state variation method and the Holstein-Primakoff transformation are used to theoretically calculate the ground state energy functional, and the rich structure of the macroscopic multi-particle quantum state is given by adjusting the parameters. The quantum phase transition evolution equation describes the relationship between each phase and the time of generating a new phase when reaching the critical phase transition point. At the same time, the mode squeezing of multi-mode hybrid optomechanical system has also became one of the basic problems of quantum mechanical behavior in cavity quantum dynamics. In this article, we explore the quantum dynamics of optomechanical devices including single-cavity and dual-cavities. We find that the system will undergo a dynamic phase transition, which is similar to the Dicke-Hepp-Lieb superradiant type phase transition, and a new dynamic critical point appears in the coupling between the momentum quadratures of the two optical fields. By manipulating the coupling parameters, we can achieve selective energy exchange between any two modes and the critical coupling point corresponds to selective energy exchange. Mode squeezing, which is easy to measure by applying the quantum uncertainty relationship, is also revealed and consistent with selective energy exchange. The study of coordinate and momentum variances gives us the revelation that the compressed orthogonal variables are the most suitable for measurement because of the small quantum noise. In fact, phononic modes can store energy in a longer duration, while photonic modes can transfer energy in a long distance. This phenomenon makes the hybrid optomechanical cavities useful in the next-generation quantum communications and quantum information processing units. 1. 引 言
光腔和纳米机械振子之间的电磁耦合导致了宏观量子系统的新的量子力学行为[1], 而且实验上已经在单光子水平上实现了这种新奇的量子系统[1-4], 同时理论上已研究了单模光机械腔的强耦合特性, 且发现: 当光场和机械振子的耦合远大于腔场衰减和机械振荡频率时, 这些混合系统中的量子效应出现. 通过在光腔内放置Kerr介质, 量子非线性也可被引入到系统中[5]. 实验已经证明, 通过将两个光模耦合到一个机械振子上来显著增强量子非线性[6,7], 该增强的量子非线性在光子数的量子非破坏测量方面具有潜在的应用. 根据腔内光场与机械振子之间通过辐射压形成的非线性反馈耦合机制, 机械振子一方面可以有效冷却并表现出宏观量子效应; 另一方面可以诱导可观测的少光子非线性光学效应. 相反, 也可以改变机械振子的特征实现对光场的调节和控制. 光机械系统在量子信息处理中也具有应用前景. Kerr型非线性可以作为全光开关的基础, 并应用于光子或声子比特的量子相位门的设计[8]. 机械模可作为量子信息处理中的长程记忆, 它可存储光脉冲中包含的全部量子信息[9]. 光学和机械自由度之间的相互作用产生固态、光学比特和原子比特之间的量子交叉. 总之, 光机械腔系统[10-12]在量子测量研究中取得了阶段性的成果, 而且展示出广泛的应用前景. 此外, 光机械腔系统在量子调控、量子模拟、高精密测量, 以及微电子工业等方面也展现出重要的应用价值, 特别是与微纳技术和冷原子技术结合后, 该系统正发展成为研究量子测量与量子操控的理想平台. 一系列新颖的基于光机械腔系统的量子测量方案展示出该系统在量子测量、量子操控等方面的潜在应用. 近年来, 两模系统在理论上得到了广泛研究, 且由两光学模和机械振子模构成的三模系统最近也被用于研究多粒子量子关联[13]. 可见, 研究双光腔光机械系统[10-12]的基态特性具有重要的科学价值.
基于光机械系统的广泛应用, 我们得到: 两光学模耦合到一个机械模的线性化哈密顿量, 该系统的动力学相变与Dicke模型的动力学相变类似[14-17]. 另外, 两个超强耦合的谐振子系统能展示类似于Dicke超辐射相变的特性. 我们主要计算了不同光机械系统正常模的表达式, 且通过调控耦合参数, 系统可以经历类似于Dicke–Hepp–Lieb型超辐射类型的动力学相变. 同时证实了任何两模之间的选择性能量交换的可能性, 最后还研究了量子临界点附近的模压缩与选择性能量交换的对应性. 这些结果对量子测量和量子计算有一定的参考价值.
2. 动力学相变模型
2.1 光机械腔
光机械腔系统如图1所示. 图1光机械腔系统的哈密顿量表示如下:
图 1 光机械腔系统, 由频率为 的光学模(用运算符a表示), 频率为ω0 的机械模(用运算符b表示)和频率为ωm (振幅为μ)的驱动场组成, 光腔与机械振子之间的耦合系数为gωL Fig. 1. An optomechanical cavity consisting of the optical mode (the frequency ) denoted by a, the mechanical mode b (the frequencyω0 ) and an pair of optical drivings (the frequencyωm and the amplitude μ) with the coupling strength g.ωL H=H0+Hint, (1) 其中自由能哈密顿量H0和相互作用哈密顿量Hint分别为:
H0=ℏω0a†a+ℏωmb†b, (2) Hint=−ℏga†a(b+b†)+iℏ(μa†e−iωLt−μ∗aeiωLt). (3) 相互作用哈密顿量(3)式来自于腔模频率的空间依赖性, 当机械位移足够小时线性阶成为相互作用中惟一重要的项.
以泵浦场驱动频率
ωL 做旋转, 系统的哈密顿量表示为H=ℏωsa†a+ℏωmb†b−ℏga†a(b+b†)+iℏ(μa†−μ∗a), (4) 其中
ωs=ω0−ωL 为腔膜与驱动场之间的失谐.根据海森伯-朗之万方程, 基于哈密顿(4)式可得系统相关算符的运动方程为:
˙a(t)=−iωsa(t)+iga(t)[b(t)+b†(t)]+μ−γc2a(t)+√γcain(t), (5) ˙b(t)=−iωmb(t)−iga†(t)a(t)−γmb(t)+√γmξ(t), (6) 其中
ain(t) 是光学模的输入噪声算子, 其特征值是光子衰减率γc ;ξ(t) 是由机械模的布朗运动引起的噪声算子.我们将每个算符写成稳态平均值和零平均涨落值, 即
a→α+a ,b→β+b . 对海森伯伯-朗之万方程(5)式和(6)式求平均值得到其演化方程:⟨˙a(t)⟩=−iωs⟨a(t)⟩+ig⟨a(t)⟩⟨b(t)+b†(t)⟩+μ−γc2⟨a(t)⟩, (7) ⟨˙b(t)⟩=−iωm⟨b(t)⟩+ig⟨a†(t)a(t)⟩−γm⟨b(t)⟩. (8) 各算符的稳态平均值和哈密顿量分别为:
α=μiωs+γc/2−ig(β†+β), (9) β=igα†αiωm+γm, (10) H=ℏ(ωs−2gβ)a†a+ℏωmb†b−ℏgα(a†+a)(b†+b)+ℏ(ωsα−2gαβ)(a†+a)+ℏ(ωmβ−gα2)(b†+b)−ℏg(a†ab†+a†ab)+ℏωmβ2+ℏωsα2−2ℏgα2β. (11) 为了对角化, 忽略常数项和齐次项, 仅保留双线性项, 即令
ωsα−2gαβ=0 和ωmβ−gα2=0 , 整理(11)式得到系统的有效哈密顿量:Heff=ℏωa†a+ℏωmb†b−ℏη(a†+a)(b†+b), (12) 其中,
ω=ωs−2gβ 和η=gα 决定了波动的稳态值.依据坐标、动量和算符的关系
{x=1√2ω(a†+a),px=i√ω2(a†−a),y=1√2ωm(b†+b),py=i√ωm2(b†−b), (13) Heff=12(ω2x2+ω2my2−4η√ωωmxy+p2x+p2y). (14) 通过如下方式对系统坐标进行旋转, 消除xy相互作用项,
{x=q1cosϕ+q2sinϕ,y=−q1sinϕ+q2cosϕ,px=p1, py=p2,tan2ϕ=4η√ωωmω2−ω2m. (15) 则(14)式化简为无耦合振子
Heff=12(ε21q21+ε22q22+p21+p22), (16) 其中,
ε1 和ε2 的值为:ε21=12[ω2+ω2m+√(ω2−ω2m)2+16η2ωωm], (17) ε22=12[ω2+ω2m−√(ω2−ω2m)2+16η2ωωm], (18) 通过引入以下两种q玻色模来重新量化哈密顿量(16)式, 即
{q1=√12ε1(c†1+c),p1=i√ε12(c†1−c1),q2=√12ε2(c†2+c2),p2=i√ε22(c†2−c2). (19) 则重新量化的哈密顿量为
Heff=ε1c†1c1+ε2c†2c2+12(ε1+ε2). (20) 根据激发能(17)式和(18)式, 结合(20)式可知: 当
ε22<0 时, 对应于机械振子模c†2c2 的特征值ε2 可以为虚数, 此时满足η>√ωωm/2 , 如图2红线所示. 这意味着系统经历了不同的行为过程, 这取决于ε22<0 时的不稳定相或ε22>0 时的稳定相. 动力学相变的稳定相对应于正常相到超辐射量子相变的正常相, 而动力学相变的不稳定相(在动力学临界点η=√ωωm/2 的右侧)对应于正常相到超辐射量子相变的超辐射相. 值得注意的是, 尽管有效哈密顿量(12)式显示出类似于Dicke-Hepp-Lieb相变的变化, 但由于仅存在两模, 而量子相变发生在多模系统中, 所以该系统本质上并不是严格的量子相变.c†1c1 玻色模的特征值ε1 (黑线)始终是真实的, 而c†2c2 玻色模的特征值ε2 (红线)通过调节参数可以变成虚数. 当η>√ωωm/2 时, 特征值ε2 变为虚数, 对应超辐射相.2.2 双光腔光机械系统
2.2.1 双光腔间无耦合
图 3 双光腔光机械系统, 由频率分别为 和ω1 的光学模(用运算符ω2 和a1 表示), 频率为a2 的机械模(用运算符b表示)和频率为ωm (振幅为ωL )的两束对打的驱动场组成, 两模光腔与机械振子之间的耦合系数分别为μi 和g1 g2 Fig. 3. A double-optical cavtiy optomechanical system consisting of two optical mode (the frequencies andω1 ) denoted byω2 anda1 , the mechanical mode b (the frequencya2 ) and an pair of optical drivings (the frequencyωm and the amplitudeωL ) with the coupling strengthμi andg1 .g2 H0=ℏ2∑i=1ωia†iai+ℏωmb†b, (21) Hint=−ℏ2∑i=1gia†iai(b+b†)+iℏ2∑i=1(μia†ie−iωLt−μi∗aieiωLt). (22) 相对驱动场频率
ωL 作旋转后, 系统的哈密顿量写为H=ωmb†b+ℏ2∑i=1[ωsia†iai−gia†iai(b+b†)+i(μia†i−μi∗ai)], (23) 其中,
ωsi 为腔膜与驱动场之间的失谐,ωsi=ωi−ωL (i=1,2) .根据海森伯-朗之万方程可得系统相关算符的运动方程为:
˙ai(t)=−iωsiai(t)+igiai(t)[b(t)+b†(t)]+μi−γci2ai(t)+√γciaini(t), (24) ˙b(t)=−iωmb(t)+ig1a†1(t)a1(t)+ig2a†2(t)a2(t)−γmb(t)+√γmξ(t), (25) 其中,
aini(t) 是光学模的输入噪声算子, 其特征值是光子衰减率γci ;ξ(t) 是由机械模的布朗运动引起的噪声算子. 并将每个算符写成稳态平均值和零平均涨落值, 即ai→αi+ai ,b→β+b , 对海森伯-朗之万方程(24)式和(25)式求平均值, 得到其演化方程:⟨˙ai(t)⟩=−iωsi⟨ai(t)⟩+igi⟨ai(t)⟩⟨b(t)+b†(t)⟩+μi−γci2⟨ai(t)⟩, (26) ⟨˙b(t)⟩=−iωm⟨b(t)⟩+ig1⟨a†1(t)a1(t)⟩+ig2⟨a†2(t)a2(t)⟩−γm⟨b(t)⟩. (27) 各算符的稳态平均值和哈密顿量分别为:
⟨ai(t)⟩=αi=μiiωsi+γci/2−igi(β†+β), (28) ⟨b(t)⟩=β=ig1α†1α1+ig2α†2α2iωm+γm, (29) H=ℏωmb†b+ℏωmβ2+ℏ2∑i=1[ωsiα2i−2βgiα2i]+ℏ2∑i=1[(ωsi−2giβ)a†iai−giαi(a†i+ai)×(b†+b)+(ωsiαi−2βgiαi)(a†i+ai)+(ωmβ−giα2i)(b†+b)−gia†iai(b†+b)]. (30) 仅保留双线性项, 即令:
ωsiαi−2βgiαi=0 ,ωmβ− giα2i=0 , 整理(30)式得到系统的有效哈密顿量:H=ℏωmb†b+ℏ2∑i=1[Ωia†iai−ℏGi(a†i+ai)(b†+b)], (31) 其中,
Ωi=ωsi−2giβ,Gi=giαi(i=1,2) , 决定了波动的稳态值.基于如下的坐标、动量与算符的关系将哈密顿量(31)式进行重新量化,
{x=1√2Ω1(a†1+a1),px=i√Ω12(a†1−a1),y=1√2Ω2(a†2+a2),py=i√Ω22(a†2−a2),z=1√2ωm(b†+b),pz=i√ωm2(b†−b), (32) 经整理可得:
Heff=12[Ω21x2+Ω22y2+ω2mz2−4G1√Ω1ωmxz−4G2√Ω2ωmyz+p2x+p2y+p2z]. (33) 与2.1节中对角化方式类似, 通过如下方式对系统坐标进行旋转, 消除xz和yz相互作用项:
{x=q1(1+cosϕ1)+q3sinϕ1,y=q2(1+cosϕ2)+q3sinϕ2,z=−q1sinϕ1−q2sinϕ2+q3(cosϕ1+cosϕ2),px=p1,tan2ϕ1=4G1√Ω1ωmΩ21−ω2m,tan2ϕ2=−4G2√Ω2ωmΩ22−ω2m,py=p2,pz=p3. (34) 则(33)式化简为
Heff=123∑i=1(ε2iq2i2+p2i), (35) 其中
εi 为ε21=12[(2Ω21+Ω22+ω2m)+√(Ω21−ω2m)2+16G21Ω1ωm−√(Ω22−Ω21)2], (36) ε22=12[(Ω21+2Ω22+ω2m)+√(Ω22−ω2m)2+16G22ωmΩ2+√(Ω22−Ω21)2], (37) ε23=12[(Ω21+Ω22+2ω2m)−√(Ω21−ω2m)2+16G21Ω1ωm−√(Ω22−ω2m)2+16G22ωmΩ2]. (38) 我们现在通过引入以下三种玻色模来重新量化哈密顿量(35)式:
{q1=√12ε1(c†1+c1), p1=i√ε12(c†1−c1),q2=√12ε2(c†2+c2), p2=i√ε22(c†2−c2),q3=√12ε3(c†3+c3), p3=i√ε32(c†3−c3). (39) 此变换下的哈密顿量为
Heff=3∑i=1(εic†ici+εi2). (40) 共振情形(
Ω1=Ω2=ωm )下, 能量泛函(36)式—(38)式退化为ε1ωm=√2(1+G1ωm), ε2ωm=√2(1+G2ωm),ε3ωm=√2(1−G1ωm−G2ωm). (41) 基于(41)式, 图4给出了无耦合的双光腔光机械系统的激发能谱, 其中
ε1/ωm (黑线)和ε2/ωm (红线)是光学分支,ε3/ωm (蓝线)是声子分支, 从图可以观测到能量的选择性转移. 从图4(a)可以看到光学模c1 (黑线)和声子模c3 (蓝线)之间的能量交换, 而光学模c2 (红线)没有变化; 从图4(b)可以看到光学模c2 和声子模c3 之间的能量交换, 而光学模c1 没有变化.ε3/ωm (蓝线)展示了在某个临界耦合参数G1c(G2c) 处的动态相变. 当G1⩽G1c (G2⩽G2c )时, 激发能量ε3/ωm 为实数, 对应正常相; 当G1>G1c (G2>G2c )时, 激发能量ε3/ωm 变为虚数, 对应超辐射相. 图中相边界点满足条件G1+G2=ωm. (42) 2.2.2 双光腔间有耦合
图 5 双光腔光机械系统, 由频率分别为 和ω1 的光学模(用运算符ω2 和a1 表示)和频率为a2 的机械模(用运算符b表示)组成, 两模光腔与机械振子之间的耦合系数分别为ωm 和g1 , 两腔间与机械振子的耦合系数为Jg2 Fig. 5. A double-optical cavtiy optomechanical system consisting of two optical mode (the frequencies andω1 ) denoted byω2 anda1 and the mechanical mode b with the coupling strengtha2 ,g1 andJ.g2 H0=ℏ2∑i=1ωia†iai+ℏωmb†b, (43) Hint=−ℏ[2∑i=1gia†iai−J(a1a†2+a2a†1)](b†+b). (44) 相互作用哈密顿量(44)式是由腔频的空间依赖性引起的, 其中J表示两光学模与机械振子之间的耦合, 它对应于相干的克尔类型相互作用, 将量子非线性引入了系统[7]. 当机械位移足够小时, 线性阶成为相互作用中惟一重要的项. 实验上通常在腔体中间放入薄膜来实现[6].
系统相关算符的运动方程为:
˙a1(t)=−iω1a1(t)+ig1a1(t)[b(t)+b†(t)]−iJa2(t)[b(t)+b†(t)]−γc12a1(t)+√γc1ain1(t), (45) ˙a2(t)=−iω2a2(t)+ig2a2(t)[b(t)+b†(t)]−iJa1(t)[b(t)+b†(t)]−γc22a2(t)+√γc2ain2(t), (46) ˙b(t)=−iωmb(t)+ig1a†1(t)a1(t)+ig2a†2(t)a2(t)−iJ[a1(t)a†2(t)+a2(t)a†1(t)]−γmb(t)+√γmξ(t). (47) 接下来将每个算符写成稳态平均值和零平均涨落值, 即
ai→αi+ai ,b→β+b . 再对海森伯-朗之万方程(45)式—(47)式求平均值, 得其演化方程:⟨˙a1(t)⟩=−iω1⟨a1(t)⟩+ig1⟨a1(t)⟩⟨b(t)+b†(t)⟩−iJ⟨a2(t)⟩⟨b(t)+b†(t)⟩−γc12⟨a1(t)⟩, (48) ⟨˙a2(t)⟩=−iω2⟨a1(t)⟩+ig2⟨a2(t)⟩⟨b(t)+b†(t)⟩−iJ⟨a1(t)⟩⟨b(t)+b†(t)⟩−γc22⟨a2(t)⟩, (49) ⟨˙b(t)⟩=−iωm⟨b(t)⟩+ig1⟨a†1(t)a1(t)⟩+ig2⟨a†2(t)a2(t)⟩−iJ⟨a1(t)a†2(t)+a2(t)a†1(t)⟩−γm⟨b(t)⟩. (50) 各算符的稳态平均值和哈密顿量分别为:
α1=iJα2(β+β†)[ig1(β+β†)−(iω1+γc12)], (51) α2=iJα1(β+β†)[ig2(β+β†)−(iω2+γc22)], (52) β=i2∑i=1giα†iαi−iJ(α1α†2+α2α†1)(iωm+γm), (53) H=ℏ2∑i=1(ωi−2giβ)a†iai+ℏωmb†b−ℏ2∑i=1[(g1α1−Jα2)(a†1+a1)+(g2α2−Jα1)(a†2+a2)](b†+b)+ℏ(ω1α1+2βJα2−2βg1α1)(a†1+a1)+ℏ(ω2α2+2βJα1−2βg2α2)(a†2+a2)+ℏ2βJ(a1a†2+a2a†1)+ℏ(ωmβ+2Jα1α2−2∑i=1giα2i)(b†+b)−ℏ2∑i=1gia†iai(b†+b)+ℏJ(a2a†1+a1a†2)(b†+b)+ℏωmβ2+ℏ2∑i=1ωiα2i+ℏ4βJα1α2−ℏ2∑i=12βgiα2i. (54) 保留双线性项后, 整理得到系统的有效哈密顿量:
Heff=ℏ2∑i=1Ωia†iai+ℏωmb†b−ℏ2∑i=1Ji(a†i+ai)(b†+b)+ℏδ(a1a†2+a2a†1), (55) 其中,
Ωi=ωi−2βgi ,J1=g1α1−Jα2 ,J2=g2α2−Jα1 ,δ=2Jβ ,ω1α1+2βJα2−2βg1α1=0 ,ω2α2+ 2βJα1−2βg2α2=0 ,ωmβ+2Jα1α2−∑2i=1giα2i=0 . 这些条件决定了波动的稳态值.{x=1√2Ω1(a†1+a1), px=i√Ω12(a†1−a1),y=1√2Ω2(a†2+a2), py=i√Ω22(a†2−a2),z=1√2ωm(b†+b), pz=i√ωm2(b†−b). (56) 将坐标动量关系(56)式代入(55)式将哈密顿量进行对角化:
Heff=12[Ω21x2+Ω22y2+ω2mz2−4J1√Ω1ωmxz−4J2√Ω2ωmyz+2δ√Ω1Ω2xy+2δpxpy√Ω1Ω2+p2x+p2y+p2z]. (57) 与2.1节, 2.2节中对角化方式类似, 可以通过如下方式对系统坐标进行旋转来消除相互作用项xy, xz, yz,
pxpy :{x=q1(cosϕ1+cosϕ2)+q2sinϕ1+q3sinϕ2,tan2ϕ1=2δ√Ω1Ω2Ω22−Ω21,y=−q1sinϕ1+q2(cosϕ1+cosϕ3)+q3sinϕ3,tan2ϕ2=4J1√Ω1ωmΩ21−ω2m,z=−q1sinϕ2−q2sinϕ3+q3(cosϕ2+cosϕ3),tan2ϕ3=−4J2√Ω2ωmΩ22−ω2m,px=p1,py=p2,pz=p3. (58) 再通过如下动量关系进行旋转来消除相互作用项
pxpy :px=p1cosϕ4+p2sinϕ4, py=−p1sinϕ4+p2cosϕ4, pz=p3. (59) 当角度满足
cosϕ4=0 时, 则哈密顿量(55)式化简为Heff=12(ε2Iq2I2+ε2IIq2II2+ε2IIIq2III2+εpIp2I+εpIIp2II+p2III), (60) 其中
εI,εII,εIII,εpI,εpII 为:ε2I=12[(2Ω21+Ω22+ω2m)+√(Ω21−ω2m)2+16J21Ω1ωm−√(Ω22−Ω21)2+4δ2Ω1Ω2], (61) ε2II=12[(Ω21+2Ω22+ω2m)+√(Ω22−Ω21)2+4λ2Ω1Ω2+√(Ω22−ω2m)2+16J22ωmΩ2], (62) ε2III=12[(Ω21+2Ω22+ω2m)−√(Ω22−Ω21)2+16J21ωmΩ1−√(Ω22−ω2m)2+16J22ωmΩ2], (63) εpI=1−δ√Ω1Ω2, εpII=1+δ√Ω1Ω2, (64) 我们现在通过引入三种新的玻色模(65)式来重新量化哈密顿量(60)式:
{qI=√√εpI2εI(c†1+c1), pI=i√εI2√εpI(c†1−c1),qII=√√εpII2εII(c†2+c2), pII=i√εII2√εpII(c†2−c2),qIII=√12εIII(c†3+c3), pIII=i√εIII2(c†3−c3). (65) 则哈密顿量(60)式整理为
Heff=εI′c†1c1+εII′c†2c2+εIII′c†3c3+12[εI′+εII′+εIII′], (66) 其中,
εI′=εI√εpI,εII′=εII√εpII,εIII′=εIII,εpI= 1−δ√Ω1Ω2,εpII=1+δ√Ω1Ω2. 从本征值(61)式—(63)式得出: 当
ε2I′εpI<0 时, 对应于光学玻色模c†1c1 的特征值εI′ 可以为虚数, 此时δ>√Ω1Ω2 , 如图6(a)黑线所示. 这意味着系统所经历的过程取决于ε2I′εpI<0 时的不稳定相或是ε2I′εpI>0 时的稳定相, 动力学相变的稳定相(δ⩽δc )对应于超辐射量子相变的正常相, 而动力学相变的不稳定相(δ>δc )对应于量子相变的超辐射相. 如同2.1节部分, 尽管有效哈密顿量(55)式展示出类似于Dicke-Hepp-Lieb跃迁的相变, 但只有三种模式存在, 故本质上仍不是严格的量子相变. 对应于光学玻色模c†2c2 的特征值εII′ 始终是真实的, 如图6红线. 从图6(b)和图6(c)可以看出: 随耦合参数J1/ωm (J2/ωm )变化, 声子模c†3c3 的特征值εIII′ 在J1>J1c (J2>J2c )变为虚数, 是声子分支εIII′ 的动态相变. 本文中不会详细讨论相变, 而且上述模型仅在稳定阶段有效. 图6展示了光学分支εI′ ,εII′ 和声子分支εIII′ 能量的选择性转移. 图6(a)显示两光学分支εI′ ,εII′ 之间的能量转移, 而声子模的能量εIII′ 不改变. 临界耦合δc=√Ω1Ω2 显示动力学相变, 是两种光学模式的动量方程间耦合的结果. 从(64)式看出: 在某些参数下使εpI<0 和ε2I<0 时, 特征值εI′ 可取负值, 代表系统不稳定, 耦合参数δ满足δus=12√(2Ω21+Ω22+ω2m+√(Ω21−ω2m)2+16J21Ω1ωm)2−(Ω22−Ω21)2Ω1Ω2. (67) 当没有其他模式的动量耦合时,
δus 就是通常的的动力学临界点G1c (G2c ), 如图4所示. 对于图6(b)给出光学模c†1c1 和声子模c†3c3 之间的能量交换, 在临界耦合J1c 处发生动力学相变, 临界耦合J1c 满足:J1c=14√(Ω21+Ω22+2ω2m−√(Ω22−ω2m)2+16J22Ω2ωm)2−(Ω21−ω2m)2Ω1ωm. (68) 可见, 声子激发谱中的动力学相变表明在动力学临界点发生从机械模到光学模的完全能量转换(蓝线-红线). 类似地图6(c)给出光学模
c†2c2 和声子模c†3c3 之间的清晰能量转换.3. 模压缩
本节研究了多种玻色模的压缩特性. 如果玻色模的位置或动量正交不确定性小于其相干状态下的不确定性, 则称其被压缩[18]. 相干态是满足
(Δα)2(Δpα)2=1/4[α=x,y,⋯] 的最小不确定态, 且不确定性在两个正交之间平均分配. 如果(Δα)2< 1/2 或(Δpα)2<1/2 , 则玻色场被压缩[18-20]. 原模式的两个正交方差被定义为(Δα)2=⟨α2⟩−⟨α⟩2 和(Δpα)2=⟨p2α⟩−⟨pα⟩2 . 我们利用波戈留波夫变换(αk=ukak−vkb†k,βk=ukbk−vka†k , 且u2k− v2k=1 )给出原始玻色模[a,b,⋯] 和变换的玻色子模式[c1,c2,⋯] 之间的关系.3.1 光机械腔
本节研究了两种玻色模的压缩特性. 原始玻色子模
[a,b] 和重新量化的玻色模[c1,c2] 之间的关系利用波戈留波夫变换给出:a†=12{cosϕ√ωε1[(ω+ε1)c†1+(ω−ε1)c1]+sinϕ√ωε2[(ω+ε2)c†2+(ω−ε2)c2]}, (69) b†=12{−sinϕ√ωmε1[(ωm+ε1)c†1+(ωm−ε1)c1]+cosϕ√ωmε2[(ωm+ε2)c†2+(ωm−ε2)c2]}. (70) {(Δx)2=cos2ϕ2ε1+sin2ϕ2ε2,(Δpx)2=cos2ϕε12+sin2ϕε22,(Δy)2=sin2ϕ2ε1+cos2ϕ2ε2,(Δpy)2=sin2ϕε12+cos2ϕε22. (71) 基于(69)式, 图7给出了压缩方差
(Δx)2ωm 和(Δy)2ωm (实线)、(Δpx)2/ωm 和(Δpy)2/ωm (虚线)随耦合参数η/ωm 的变化, 注意由于ω=ωm , 所以(Δx)2ωm 和(Δy)2ωm 重合,(Δpx)2/ωm 和(Δpy)2/ωm 重合. 该图与图2激发谱随耦合参数的变化对应. 动量方差没有被压缩, 在接近临界耦合ηc 时, 更加不被压缩而分离, 如图实线; 反之, 坐标方差被压缩, 而且接近临界耦合ηc 时, 压缩更明显. 在动力学临界点处(如图点线), 位置方差显示最大压缩, 可见, 压缩是能量转换的标志.3.2 双光腔光机械系统
3.2.1 双光腔间无耦合
本节研究了光腔间无耦合的双模光机械腔的压缩特性. 原始玻色模
[a1,a2,b] 和重新量化的玻色模[c1,c2,c3] 之间的关系利用波戈留波夫变换给出:a†1=12{cosϕ1√Ω1ε1[c†1(Ω1+ε1)+c1(Ω1−ε1)]+sinϕ1√Ω1ε3[c†3(Ω2+ε3)+c3(Ω2−ε3)]}, (72) a†2=12{cosϕ2√Ω2ε2[c†2(Ω2+ε2)+c2(Ω2−ε2)]+sinϕ2√Ω2ε3[c†3(Ω2+ε3)+c3(Ω2−ε3)]}, (73) b†=12{−sinϕ1√ωmε1[c†1(ωm+ε1)+c1(√εp1−ε1)]−sinϕ2√ωmε2[c†2(ωm+ε2)+c2(ωm−ε2)]+cosϕ1+cosϕ2√ωmε3[c†3(ωm+ε3)+c3(ωm−ε3)]}. (74) {(Δx)2=cos2ϕ12ε1+sin2ϕ12ε3, (Δpx)2=cos2ϕ1ε12+sin2ϕ1ε32,(Δy)2=cos2ϕ22ε2+sin2ϕ22ε3, (Δpy)2=cosϕ22ε22+sin2ϕ2ε32,(Δz)2=sin2ϕ12ε1+sin2ϕ22ε2+(cosϕ1+cosϕ2)22ε3−1+2cosϕ1cosϕ22ωm,(Δpz)2=sin2ϕ1ε12+sin2ϕ2ε22+(cosϕ1+cosϕ2)2ε32−(1+2cosϕ1cosϕ2)ωm2. (75) 基于(75)式, 对应于图4, 图8给出了压缩方差
(Δx)2ωm ,(Δy)2ωm 和(Δz)2ωm (实线),(Δpx)2/ωm ,(Δpy)2/ωm 和(Δpz)2/ωm (虚线)随耦合参数G1/ωm 和G2/ωm 的变化. 图8(a)中(Δx)2ωm 和(Δz)2ωm 重合,(Δpx)2/ωm 和(Δpz)2/ωm 重合, 坐标方差开始没有被压缩, 而后被渐渐压缩, 在接近临界耦合G1c 时, 被最大压缩(如图点竖线), 如图实线; 反之, 动量方差开始被压缩, 而接近临界耦合G1c 时, 反而不被压缩, 如图虚线. 图8(b)中(Δy)2ωm 和(Δz)2ωm 重合,(Δpy)2/ωm 和(Δpz)2/ωm 重合, 坐标方差开始未被压缩, 而后被渐渐压缩, 在接近临界耦合G2c 时, 被最大压缩(如图点线), 如图实线; 反之, 动量方差开始被压缩, 而接近临界耦合G2c 时, 反而不被压缩, 如图虚线. 该结论再次验证图4中激发谱在动力学临界点处的相变和能量转移一致. 可见, 压缩是能量转换的标志. 在G1<G1c (G2<G2c )时, 动量方差被压缩, 则动量正交就是更好的选择; 而在G1c (G2c )附近, 动量方差未被压缩, 而坐标方差被压缩, 则坐标正交将是更好的选择. 可见, 三模玻色场中的任何的正交压缩是由特定玻色模之间的能量交换决定[19,20], 其可借助于不同的耦合参数来调控.3.2.2 双光腔间有耦合
本节研究了光腔间有耦合的双模光机械腔的压缩特性. 原始玻色模
[a1,a2,b] 和重新量化的玻色模[c1,c2,c3] 之间的关系利用波戈留波夫变换给出:a†1=12{cosϕ1+cosϕ2√Ω1εI√εpI[c†1(√εpIΩ1+εI)+c1(√εpIΩ1−εI)]+sinϕ1√√εpIIΩ1εII[c†2(√εpIIΩ1+εII)+c2(√εpIIΩ1−εII)]+sinϕ2√Ω1εIII[c†3(Ω2+εIII)+c3(Ω2−εIII)]}, (76) a†2=12{−sinϕ1√Ω2εI√εpI[c†1(√εpIΩ2+εI)+c1(√εpIΩ2−εI)]+cosϕ1+cosϕ3√√εpIIΩ2εII[c†2(√εpIIΩ2+εII)+c2(√εpIIΩ1−εII)]+sinϕ3√Ω1εIII[c†3(Ω2+εIII)+c3(Ω2−εIII)]}, (77) b†=12{−sinϕ2√ωmεI√εpI[c†1(√εpIωm+εI)+c1(√εpI−εI)]+sinϕ3√ωmεII√εpII[c†2(√εpIIωm+εII)+c2(√εpIIωm−εII)]+cosϕ2+cosϕ3√ωmεIII[c†3(ωm+εIII)+c3(ωm−εIII)]}. (78) \left\{ \begin{aligned} &{\left( {\Delta x} \right)^2} = \frac{{{{\left( {\cos {\phi _1} + \cos {\phi _2}} \right)}^2}\sqrt {{\varepsilon _{{p_{\rm{I}}}}}} }}{{2{\varepsilon _{\rm{I}}}}} + \frac{{{{\sin }^2}{\phi _1}\sqrt {{\varepsilon _{{p_{{\rm{II}}}}}}} }}{{2{\varepsilon _{{\rm{II}}}}}} + \frac{{{{\sin }^2}{\phi _2}}}{{2{\varepsilon _{{\rm{III}}}}}} - \frac{{1 + 2\cos {\phi _1}\cos {\phi _2}}}{{2{\varOmega _1}}}, \\ &{\left( {\Delta {p_x}} \right)^2} = {\left( {\cos {\phi _1} + \cos {\phi _2}} \right)^2}\frac{{{\varepsilon _{\rm{I}}}}}{{2\sqrt {{\varepsilon _{{p_{\rm{I}}}}}} }} + {\sin ^2}{\phi _1}\frac{{{\varepsilon _{{\rm{II}}}}}}{{2\sqrt {{\varepsilon _{{p_{{\rm{II}}}}}}} }} + {\sin ^2}{\phi _2}\frac{{{\varepsilon _{{\rm{III}}}}}}{2} - \left( {1 + 2\cos {\phi _1}\cos {\phi _2}} \right)\frac{{{\varOmega _1}}}{2}, \\ &{\left( {\Delta y} \right)^2} = \frac{{{{\sin }^2}{\phi _1}\sqrt {{\varepsilon _{{p_{\rm{I}}}}}} }}{{2{\varepsilon _{\rm{I}}}}} + \frac{{{{\left( {\cos {\phi _1} + \cos {\phi _3}} \right)}^2}\sqrt {{\varepsilon _{{p_{{\rm{II}}}}}}} }}{{2{\varepsilon _{{\rm{II}}}}}} + \frac{{{{\sin }^2}{\phi _3}}}{{2{\varepsilon _{{\rm{III}}}}}} - \frac{{1 + 2\cos {\phi _1}\cos {\phi _3}}}{{2{\varOmega _2}}}, \\ &{\left( {\Delta {p_y}} \right)^2} = {\sin ^2}{\phi _1}\frac{{{\varepsilon _{\rm{I}}}}}{{2\sqrt {{\varepsilon _{{p_{\rm{I}}}}}} }} + {\left( {\cos {\phi _1} + \cos {\phi _3}} \right)^2}\frac{{{\varepsilon _{{\rm{II}}}}}}{{2\sqrt {{\varepsilon _{{p_{{\rm{II}}}}}}} }} + {\sin ^2}{\phi _3}\frac{{{\varepsilon _{{\rm{III}}}}}}{2} - \left( {1 + 2\cos {\phi _1}\cos {\phi _3}} \right)\frac{{{\varOmega _2}}}{2}, \\ & {\left( {\Delta z} \right)^2} = \frac{{{{\sin }^2}{\phi _2}\sqrt {{\varepsilon _{{p_{\rm{I}}}}}} }}{{2{\varepsilon _{\rm{I}}}}} + \frac{{{{\sin }^2}{\phi _3}\sqrt {{\varepsilon _{{p_{{\rm{II}}}}}}} }}{{2{\varepsilon _{{\rm{II}}}}}} + \frac{{{{\left( {\cos {\phi _2} + \cos {\phi _3}} \right)}^2}}}{{2{\varepsilon _{{\rm{III}}}}}} - \frac{{1 + 2\cos {\phi _2}\cos {\phi _3}}}{{2{\omega _{\rm{m}}}}}, \\ &{\left( {\Delta {p_z}} \right)^2} = {\sin ^2}{\phi _2}\frac{{{\varepsilon _{\rm{I}}}}}{{2\sqrt {{\varepsilon _{{p_{\rm{I}}}}}} }} + {\sin ^2}{\phi _3}\frac{{{\varepsilon _{{\rm{II}}}}}}{{2\sqrt {{\varepsilon _{{p_{{\rm{II}}}}}}} }} + {\left( {\cos {\phi _2} + \cos {\phi _3}} \right)^2}\frac{{{\varepsilon _{{\rm{III}}}}}}{2} - \left( {1 + 2\cos {\phi _2}\cos {\phi _3}} \right)\frac{{{\omega _{\rm{m}}}}}{2}. \end{aligned} \right. (79) 基于(79)式, 对应于图6, 图9给出了压缩方差
{\left( {\Delta x} \right)^2}{\omega _{\rm{m}}} ,{\left( {\Delta y} \right)^2}{\omega _{\rm{m}}} 和{\left( {\Delta z} \right)^2}{\omega _{\rm{m}}} (实线),{\left( {\Delta {p_x}} \right)^2}/{\omega _{\rm{m}}} ,{\left( {\Delta {p_y}} \right)^2}/{\omega _{\rm{m}}} 和{\left( {\Delta {p_z}} \right)^2}/{\omega _{\rm{m}}} (虚线)随耦合参数\delta /{\omega _{\rm{m}}} ,{J_1}/{\omega _{\rm{m}}} 和{J_2}/{\omega _{\rm{m}}} 的变化. 图9(a)结果与图7一致, 如图所示, 坐标方差没有被压缩, 在接近临界耦合{\delta _{\rm{c}}} 时, 更加不被压缩而分离, 如图实线; 动量方差被压缩, 而且接近临界耦合{\eta _c} 时, 压缩更明显, 动力学临界点处动量方差显示最大压缩, 如图虚线. 相比之下, 图9(b)和图9(c)结果与图8一致. 图9(b)和图9(c)表明: 随着耦合参数{J_1} ({J_2} )的增加, 最初未被压缩的动量方差慢慢被稍微受到压缩. 在临界耦合{J_{1{\rm{c}}}} ({J_{2{\rm{c}}}} )附近, 动量方差接近1/2, 并在{J_{1{\rm{c}}}} ({J_{2{\rm{c}}}} )处被最大压缩. 而最初被压缩的坐标方差随耦合强度增大而慢慢变小, 并且在{J_{1{\rm{c}}}} ({J_{2{\rm{c}}}} )处变得不被压缩. 事实上, 随着位置方差的不确定性降低, 而相应动量方差的不确定性增加, 这与不确定性原理一致. 因此得出结论, 正交压缩是最适合量子测量, 因为正交压缩减少了量子噪声, 即如果在改变δ时进行量子测量, 那么对坐标正交进行测量会更合适. 另一方面, 在改变耦合参数{J_1} ({J_2} )时, 只要被挤压, 坐标正交就是更好的选择. 在临界点{J_{1{\rm{c}}}} ({J_{2{\rm{c}}}} )附近, 动量正交的测量将更适合. 在三模玻色场中的任何正交压缩是由特定玻色模之间的能量交换决定[19,20], 其可以借助于不同的耦合参数来调控. 如图6所示, 任何两模之间的能量转换在动力学临界点处完成. 图9展示出于动力学临界点, 坐标正交或动量正交显示最大压缩. 因此, 压缩是能量转移的标志(即压缩由多模间的能量转换度决定).图 9 在 下, 压缩方差\omega = {\omega _{\rm{m}}} (实线)和{\left( {\Delta \alpha } \right)^2}{\omega _{\rm{m}}} (虚线)随耦合参数 (a){\left( {\Delta {p_{\alpha} }} \right)^2}/{\omega _{\rm{m}}} , (b)\delta /{\omega _{\rm{m}}} 和(c){J_1}/{\omega _{\rm{m}}} 的变化{\left( {\Delta \alpha } \right)^2}{\omega _{\rm{m}}} Fig. 9. Plot of the squeezing variances (solid line) and{\left( {\Delta \alpha } \right)^2}{\omega _{\rm{m}}} (dashed line) as a function of (a){\left( {\Delta {p_{\alpha} }} \right)^2}/{\omega _{\rm{m}}} , (b)\delta /{\omega _{\rm{m}}} , (c){J_1}/{\omega _{\rm{m}}} in the case of{J_2}/{\omega _{\rm{m}}} .\omega = {\omega _{\rm{m}}} 4. 结 论
本文首先利用动力学方法分别对单模光机械系统和双模光机械系统进行了哈密顿量的线性, 进而求得了系统的稳态解. 基于稳态解给出了不同参数调控下的激发谱和模压缩, 探究了光机械系统中的动力学相变与光学模和机械模之间能量选择性转换的可能性. 尤其单模光机械系统清晰地给出了光学膜和机械模之间的能量转换, 为理解双模光机械系统的动力学相变和能量交换提供了指导. 另外, 激发谱和模压缩之间的关联也被观测. 通过调节某一模对应的耦合参数, 可以对应地打开该模通道, 而进行其他模之间的能量交换, 且同时也关闭了其他模的通道. 该通道和其他模式间的能量交换都是可选择的, 这对于量子信息处理是非常有实际意义的. 在动力学临界点处, 任何两模之间完全的能量转换可实现. 通过坐标和动量方差的研究发现: 被压缩的正交变量最适合进行测量, 因为量子噪声量较小. 另外, 声子模可以较长时存储能量, 而光子模可以远距离传输能量, 这种优势使得混合光机械系统在将来产生量子通信和量子信息处理单元中变得非常有价值.
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图 1 光机械腔系统, 由频率为
{\omega _{\rm{0}}} 的光学模(用运算符a表示), 频率为{\omega _{\rm{m}}} 的机械模(用运算符b表示)和频率为{\omega _{\rm{L}}} (振幅为μ)的驱动场组成, 光腔与机械振子之间的耦合系数为gFigure 1. An optomechanical cavity consisting of the optical mode (the frequency
{\omega _{\rm{0}}} ) denoted by a, the mechanical mode b (the frequency{\omega _{\rm{m}}} ) and an pair of optical drivings (the frequency{\omega _{\rm{L}}} and the amplitude μ) with the coupling strength g.图 3 双光腔光机械系统, 由频率分别为
{\omega _{\rm{1}}} 和{\omega _{\rm{2}}} 的光学模(用运算符{a_1} 和{a_2} 表示), 频率为{\omega _{\rm{m}}} 的机械模(用运算符b表示)和频率为{\omega _{\rm{L}}} (振幅为{\mu _i} )的两束对打的驱动场组成, 两模光腔与机械振子之间的耦合系数分别为{g_1} 和{g_2} Figure 3. A double-optical cavtiy optomechanical system consisting of two optical mode (the frequencies
{\omega _{\rm{1}}} and{\omega _{\rm{2}}} ) denoted by{a_1} and{a_2} , the mechanical mode b (the frequency{\omega _{\rm{m}}} ) and an pair of optical drivings (the frequency{\omega _{\rm{L}}} and the amplitude{\mu _i} ) with the coupling strength{g_1} and{g_2} .图 4 激发能量
{\varepsilon _i}/{\omega _{\rm{m}}} 随耦合参数 (a){G_1}/{\omega _{\rm{m}}} 和(b){G_2}/{\omega _{\rm{m}}} 的变化, 给定的参数是{\varOmega _1} = {\varOmega _2} = {\omega _{\rm{m}}} Figure 4. Variation of the excitation energy
{\varepsilon _i}/{\omega _{\rm{m}}} with respect to the coupling parameters (a){G_1}/{\omega _{\rm{m}}} and (b){G_2}/{\omega _{\rm{m}}} . The given parameters are{\varOmega _1} = {\varOmega _2} = {\omega _{\rm{m}}} .图 5 双光腔光机械系统, 由频率分别为
{\omega _{\rm{1}}} 和{\omega _{\rm{2}}} 的光学模(用运算符{a_1} 和{a_2} 表示)和频率为{\omega _{\rm{m}}} 的机械模(用运算符b表示)组成, 两模光腔与机械振子之间的耦合系数分别为{g_1} 和{g_2} , 两腔间与机械振子的耦合系数为JFigure 5. A double-optical cavtiy optomechanical system consisting of two optical mode (the frequencies
{\omega _{\rm{1}}} and{\omega _{\rm{2}}} ) denoted by{a_1} and{a_2} and the mechanical mode b with the coupling strength{g_1} ,{g_2} andJ.图 6 激发能量
{\varepsilon _i}/{\omega _{\rm{m}}} 随耦合参数 (a)\delta /{\omega _{\rm{m}}} , (b){J_1}/{\omega _{\rm{m}}} 和(c){J_2}/{\omega _{\rm{m}}} 的变化, 给定的参数是{\varOmega _1} = {\varOmega _2} = {\omega _{\rm{m}}} Figure 6. Variation of the excitation energy
{\varepsilon _i}/{\omega _{\rm{m}}} with respect to the coupling parameters (a)\delta /{\omega _{\rm{m}}} , (b){J_1}/{\omega _{\rm{m}}} and (c){J_2}/{\omega _{\rm{m}}} . The given parameters are{\varOmega _1} = {\varOmega _2} = {\omega _{\rm{m}}} .图 7 在
\omega = {\omega _{\rm{m}}} 下, 压缩方差{\left( {\Delta \alpha } \right)^2}{\omega _{\rm{m}}} 和{\left( {\Delta {p_{\alpha} }} \right)^2}/{\omega _{\rm{m}}} 随耦合参数\eta /{\omega _{\rm{m}}} 的变化Figure 7. Plot of the squeezing variances
{\left( {\Delta \alpha } \right)^2}{\omega _{\rm{m}}} (solid line) and{\left( {\Delta {p_{\alpha} }} \right)^2}/{\omega _{\rm{m}}} (dashed line) as a function of\eta /{\omega _{\rm{m}}} in the case of\omega = {\omega _{\rm{m}}} .图 8 在
{\left( {\Delta \alpha } \right)^2}{\omega _{\rm{m}}} 下, 压缩方差{\left( {\Delta \alpha } \right)^2}{\omega _{\rm{m}}} 和{\left( {\Delta {p_{\alpha} }} \right)^2}/{\omega _{\rm{m}}} 随耦合参数(a){G_1}/{\omega _{\rm{m}}} 和(b){G_2}/{\omega _{\rm{m}}} 的变化Figure 8. Plot of the squeezing variances
{\left( {\Delta \alpha } \right)^2}{\omega _{\rm{m}}} (solid line) and{\left( {\Delta {p_{\alpha} }} \right)^2}/{\omega _{\rm{m}}} (dashed line) as a function of (a){G_1}/{\omega _{\rm{m}}} and (b){G_2}/{\omega _{\rm{m}}} .图 9 在
\omega = {\omega _{\rm{m}}} 下, 压缩方差{\left( {\Delta \alpha } \right)^2}{\omega _{\rm{m}}} (实线)和{\left( {\Delta {p_{\alpha} }} \right)^2}/{\omega _{\rm{m}}} (虚线)随耦合参数 (a)\delta /{\omega _{\rm{m}}} , (b){J_1}/{\omega _{\rm{m}}} 和(c){\left( {\Delta \alpha } \right)^2}{\omega _{\rm{m}}} 的变化Figure 9. Plot of the squeezing variances
{\left( {\Delta \alpha } \right)^2}{\omega _{\rm{m}}} (solid line) and{\left( {\Delta {p_{\alpha} }} \right)^2}/{\omega _{\rm{m}}} (dashed line) as a function of (a)\delta /{\omega _{\rm{m}}} , (b){J_1}/{\omega _{\rm{m}}} , (c){J_2}/{\omega _{\rm{m}}} in the case of\omega = {\omega _{\rm{m}}} . -
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