納米機械振子與超導(dǎo)電路耦合系統(tǒng)中的量子效應(yīng)研究及其應(yīng)用.pdf

1、隨著納米技術(shù)的不斷進步，機械振子的尺寸已經(jīng)可以做到微米甚至納米尺度。納米機械振子通常具有極小的質(zhì)量，較高的共振頻率以及較低的耗散，因此在高精度位移測量、質(zhì)量測量等方面有著重要的應(yīng)用。此外，機械振子是觀察宏觀物體量子力學(xué)效應(yīng)的一個很好的平臺。通過將納米機械振子耦合于不同的固體系統(tǒng)，比如光腔或者微波腔以及超導(dǎo)量子比特，研究人員最近在實驗上成功地將機械振子冷卻到量子基態(tài)，這為觀察振子中疊加態(tài)、Fock態(tài)等非經(jīng)典態(tài)以及能量量子化鋪平了道路.納米

2、機械振子與超導(dǎo)微波腔之間通過輻射壓力有效地耦合起來，形成了近年來一個新興的研究領(lǐng)域—腔電機械系統(tǒng)，該系統(tǒng)中一些量子光學(xué)效應(yīng)已經(jīng)被觀察到。本文中我們采用標(biāo)準(zhǔn)的泵浦-探測技術(shù)，研究了腔電機械系統(tǒng)中的電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象和快慢光效應(yīng)以及共振增強的四波混頻現(xiàn)象，并且討論了該系統(tǒng)在光子晶體管、單光子路由器以及質(zhì)量傳感器等方面的潛在應(yīng)用。另一方面，超導(dǎo)量子比特是一種人造的兩能級原子系統(tǒng)，可作為輔助系統(tǒng)用來讀取納米機械振子的運動，實現(xiàn)機械系統(tǒng)的量子調(diào)控。

3、最近的技術(shù)進步使得利用這種人造兩能級系統(tǒng)進行一些芯片上的量子光學(xué)實驗變得可能。本文中我們理論上研究了納米機械振子與庫珀對盒子(電荷量子比特)耦合系統(tǒng)在質(zhì)量測量上的應(yīng)用。這兩種耦合系統(tǒng)都易于集成在芯片上，從而在固態(tài)量子計算和量子信息中都有著重要的應(yīng)用。論文共分為六章。
　　在第一章中，我們首先介紹了腔光機械系統(tǒng)的一些基本理論并舉例說明了實驗上實現(xiàn)的幾種腔光機械系統(tǒng)，然后著重介紹了我們所研究的腔電機械系統(tǒng)的一些最新進展。此外，本章還介

4、紹了三種基本的超導(dǎo)量子比特以及與納米機械振子耦合系統(tǒng)的一些研究背景。最后，我們介紹了本論文研究的基礎(chǔ)—電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象及共振增強的三階非線性效應(yīng)。
　　在第二章中，我們研究了腔電機械系統(tǒng)中的電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象和快慢光效應(yīng)。當(dāng)微波腔受到紅失諧的泵浦場驅(qū)動時，輻射壓力的作用使得探測場的透射譜中腔共振附近出現(xiàn)一個窄的透明窗口，且透明窗口的寬度隨泵浦場功率增大而變寬，即出現(xiàn)了電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象。此時系統(tǒng)中存在慢光效應(yīng)，探測場的延遲時間最大可達

5、到0.2 ms。但當(dāng)微波腔受到藍失諧的泵浦場驅(qū)動時，系統(tǒng)中將出現(xiàn)快光效應(yīng)，此時探測場的延遲時間為一負(fù)值。因此，通過改變泵浦場與腔場之間的失諧量可實現(xiàn)快慢光效應(yīng)之間的轉(zhuǎn)變，并且延遲時間的大小可由泵浦場的功率進行調(diào)節(jié)。
　　在第三章中，我們研究了腔電機械系統(tǒng)中可調(diào)的非線性效應(yīng)。首先我們討論了該系統(tǒng)中腔內(nèi)光子數(shù)的雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，即泵浦場頻率和功率選擇恰當(dāng)時，腔內(nèi)光子數(shù)可能出現(xiàn)兩個穩(wěn)定的解。然后我們著重討論了共振增強的四波混頻現(xiàn)象。當(dāng)滿足電磁

6、誘導(dǎo)透明的雙光子共振條件時，四波混頻作為一種重要的三階非線性效應(yīng)可被共振增強，并且隨著泵浦場功率的增大四波混頻的強度可被進一步提高。
　　在第四章中，我們討論了腔電機械系統(tǒng)在光子晶體管和單光子路由器中的應(yīng)用。當(dāng)微波腔受到藍失諧的泵浦場驅(qū)動時，探測場的透射率可出現(xiàn)大于1的情況，即微波信號可被放大，此時系統(tǒng)可用作光子晶體管。當(dāng)微波腔受到紅失諧的泵浦場驅(qū)動時，泵浦場功率達到一定強度后，腔共振處探測場將全部透射，但當(dāng)泵浦場功率為零時，腔共

7、振處探測場將被全部反射。因此可用一束可調(diào)的泵浦場來選擇探測場從哪個輸出口輸出，反射出口和透射出口之間的路由可通過關(guān)閉和打開泵浦場實現(xiàn)。
　　在第五章中，我們研究了腔電機械系統(tǒng)以及納米機械振子與庫珀對盒子耦合系統(tǒng)在微小物質(zhì)比如DNA分子質(zhì)量測量方面的應(yīng)用。由于納米機械振子的質(zhì)量和耗散極小，吸附微小物質(zhì)后將導(dǎo)致其共振頻率發(fā)生移動。這兩種耦合系統(tǒng)的透射譜或者吸收譜中機械振子共振頻率處會出現(xiàn)尖銳的邊峰，因此可用于測量振子的共振頻率以及吸附