关键词：
量子力学
量子光机械系统
量子电动力学(QED)
摘要：
量子光机械是融合了量子力学原理与量子光学的交叉研究领域。近年来关于光机械的相关研究引起了人们的广泛关注。光机械系统阐释了电磁辐射与机械力学自由度的相互作用。加深了人们从经典物理到量子物理的基础的理解。对光机械进行研究能够使得一些潜在的物理问题得到解答,一定层面上反映了量子物理的根本。光机械的基本原理对于在科学研究中的基础探索和潜在应用方面都有都有作用。光机械不止对科学基础研究有帮助,其对微观力学器件的量子层面的特性与应用也有帮助。这些应用包括对于位移,力和质量的精密测量,量子存储与处理应用中基于芯片上的固体量子比特和光子干涉的研究。在探索微机械振子与光场的态的叠加,纠缠产生,激光冷却(边带冷却),放大等也有着非常吸引人的应用。同时光弹簧效应,量子灵敏度力探测,光学非线性与双稳态,光力诱导透明,有质动力压缩都是光机械领域独有的现象。本文主要在理论层面上研究了光机械系统。其中,光机械系统的动力学与光响应是首要研究对象。鉴于和量子力学系统动力学的紧密联系,这个工作主要展示在量子光机械方面的进展,同时加深对于量子力学中一些基本概念的理解。第一章中,我们介绍研究动机,基本术语和光机械中的基本现象。本章结尾给出本文纲要。第二章集中介绍光机械的背景和理论,主要包括：辐射压力导致的腔光与物质的相互作用,基本的哈密顿量,各种参量范围,光机械的经典与量子图景等。同时,在这一章,我们也详细的讨论了光机械在失谐情况下的力学响应,机械响应的光力学修正(频移与光阻尼),光机械耦合等物理问题。在这章最后,我们给出了光腔的输入输出公式。第三章中给出第一个理论工作。这章中,研究装有一个二能级原子的光机械腔与光的相互作用。这种情形下,我们给出如何通过辐射压力去改动光机械振子的动力学演化。本章中采用J-C模型进行讨论,并使用主方程来描述系统的动力学演化。通过解析地求解系统的稳态以及投射、反射系数,我们数值的研究了系统算符和透射强度之间的动力学关系。数值研究了系统算符和透射强度的动力学演化。这些研究的原因是在很多光机械结构中,透射与反射信号是在试验中被观测到的物理量,从而研究人员根据这些观测量可以推断腔内系统的量子态。在很多研究实验中,研究人员通过透射信号可以读取量子比特的状态信息。这样的系统也可以被用在研究腔内原子与分子光机械谱。所以这个工作对于研究分析其余的腔内系综动力学和光子的量子记忆效应具有重要意义。很多研究中,一个原子可以被认为是光学开关或者门晶体管。这章中,研究表明耦合对于系统的透射有重要影响,起到光学开关的作用。第四章中,我们研究了在压缩环境中光机械系统的动力学与透射。我们考虑了光机械系统与一个外部单模激光场的相互作用。我们也研究了腔内场强度,镜振子的动量与位置算符的时间演化。对于不同的压缩参数,相互作用导致不同的动力学。我们给出了动力学的数值模拟讨论,并给出了输出场的透射透射系数和强度的解析解。通过透射可以看出压缩参数具有重要影响。压缩对于量子测量精度具有重要影响。有的情形自旋压缩可以被用来研究纠缠。压缩光的独特性质可以克服很多光学装置和实验过程中的复杂问题,其一直得到理论与试验的研究关注。其中对于如何产生比真空涨落更小的光场态的研究处于研究的中心。第五章研究了在自旋系综影响下的光机械诱导透明(OMIT)。我采用的模型具有一般性,研究表明,光机械诱导透明随着腔场与自旋系综的偶合常数的增加而增加,而随着自旋系综退变率的增加而减小。这章中展示了OMIT的细节,并且被拓展到可解边带。因为光机械诱导透明与原子电磁诱导透明的相似性,光可以被变慢或者停滞,其在量子光学和量子信息领域具有潜在应用。最后是总结与展望。
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