納米機(jī)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(jìn)步，機(jī)械振子的尺寸已經(jīng)可以做到微米甚至納米尺度。納米機(jī)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(cè)量、質(zhì)量測(cè)量等方面有著重要的應(yīng)用。此外，機(jī)械振子是觀察宏觀物體量子力學(xué)效應(yīng)的一個(gè)很好的平臺(tái)。通過將納米機(jī)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(shí)驗(yàn)上成功地將機(jī)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(jī)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(gè)新興的研究領(lǐng)域—腔電機(jī)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(cè)技術(shù)，研究了腔電機(jī)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(qiáng)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(jí)原子系統(tǒng)，可作為輔助系統(tǒng)用來讀取納米機(jī)械振子的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)的量子調(diào)控。

3、最近的技術(shù)進(jìn)步使得利用這種人造兩能級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行一些芯片上的量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)變得可能。本文中我們理論上研究了納米機(jī)械振子與庫珀對(duì)盒子(電荷量子比特)耦合系統(tǒng)在質(zhì)量測(cè)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(jì)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(jī)械系統(tǒng)的一些基本理論并舉例說明了實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)的幾種腔光機(jī)械系統(tǒng)，然后著重介紹了我們所研究的腔電機(jī)械系統(tǒng)的一些最新進(jìn)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(jī)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(qiáng)的三階非線性效應(yīng)。
　　在第二章中，我們研究了腔電機(jī)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(chǎng)驅(qū)動(dòng)時(shí)，輻射壓力的作用使得探測(cè)場(chǎng)的透射譜中腔共振附近出現(xiàn)一個(gè)窄的透明窗口，且透明窗口的寬度隨泵浦場(chǎng)功率增大而變寬，即出現(xiàn)了電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象。此時(shí)系統(tǒng)中存在慢光效應(yīng)，探測(cè)場(chǎng)的延遲時(shí)間最大可達(dá)

5、到0.2 ms。但當(dāng)微波腔受到藍(lán)失諧的泵浦場(chǎng)驅(qū)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)中將出現(xiàn)快光效應(yīng)，此時(shí)探測(cè)場(chǎng)的延遲時(shí)間為一負(fù)值。因此，通過改變泵浦場(chǎng)與腔場(chǎng)之間的失諧量可實(shí)現(xiàn)快慢光效應(yīng)之間的轉(zhuǎn)變，并且延遲時(shí)間的大小可由泵浦場(chǎng)的功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。
　　在第三章中，我們研究了腔電機(jī)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(chǎng)頻率和功率選擇恰當(dāng)時(shí)，腔內(nèi)光子數(shù)可能出現(xiàn)兩個(gè)穩(wěn)定的解。然后我們著重討論了共振增強(qiáng)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(shí)，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(qiáng)，并且隨著泵浦場(chǎng)功率的增大四波混頻的強(qiáng)度可被進(jìn)一步提高。
　　在第四章中，我們討論了腔電機(jī)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(lán)失諧的泵浦場(chǎng)驅(qū)動(dòng)時(shí)，探測(cè)場(chǎng)的透射率可出現(xiàn)大于1的情況，即微波信號(hào)可被放大，此時(shí)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(chǎng)驅(qū)動(dòng)時(shí)，泵浦場(chǎng)功率達(dá)到一定強(qiáng)度后，腔共振處探測(cè)場(chǎng)將全部透射，但當(dāng)泵浦場(chǎng)功率為零時(shí)，腔共

7、振處探測(cè)場(chǎng)將被全部反射。因此可用一束可調(diào)的泵浦場(chǎng)來選擇探測(cè)場(chǎng)從哪個(gè)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(chǎng)實(shí)現(xiàn)。
　　在第五章中，我們研究了腔電機(jī)械系統(tǒng)以及納米機(jī)械振子與庫珀對(duì)盒子耦合系統(tǒng)在微小物質(zhì)比如DNA分子質(zhì)量測(cè)量方面的應(yīng)用。由于納米機(jī)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(dòng)。這兩種耦合系統(tǒng)的透射譜或者吸收譜中機(jī)械振子共振頻率處會(huì)出現(xiàn)尖銳的邊峰，因此可用于測(cè)量振子的共振頻率以及吸附