Quantum Optics with Nanomechanical and Solid State Systems
Description
This thesis presents theoretical studies in an interfacing field of quantum optics, nanomechanics and mesoscopic solid state physics and proposes new methods for the generation of particular quantum states and quantum state transfer for selected hybrid systems. The first part of this thesis focuses on the quantum limit of a macroscopic object, a nanomechanical resonator. This is studied for two different physical systems. The first one is a nanomechanical beam incorporated in a superconducting circuit, in particular a loop-shaped Cooper pair box (CPB) - circuit. We present a scheme for ground state cooling of the flexural mode of the nanomechanical beam. Via the Lorentz force coupling of the beam motion to circulating CPB-circuit currents, energy is transferred to the CPB qubit which acts as a dissipative two-level system. The cooling process is driven by a detuned gate-voltage drive acting on the CPB. We analyze the cooling force spectrum and present analytical expressions for the cooling rate and final occupation number for a wide parameter regime. In particular, we find that cooling is optimized in a strong drive regime, and we present the necessary conditions for ground-state cooling. In a second system, we investigate the creation of squeezed states of a mechanical oscillator (a vibrating membrane or a movable mirror) in an optomechanical setup. An optical cavity is driven by squeezed light and couples via radiation pressure to the mechanical oscillator, effectively providing a squeezed heat-bath for the mechanical oscillator. Under the conditions of laser cooling to the ground state, we find an efficient transfer of squeezing with roughly 60% of light squeezing conveyed to the mechanical oscillator (on a dB scale). We determine the requirements on the carrier frequency and the bandwidth of squeezed light. Beyond the conditions for ground state cooling, we predict mechanical squashing to be observable in current systems. The second part of the thesis is concerned with the state transfer of an arbitrary quantum state. It is shown that by optimizing the time-dependent interaction between a harmonic oscillator and a transmission line, the oscillator quantum state can be transferred to another oscillator via the transmission line, with a fidelity that is independent of the initial state of both oscillators. For a transfer time T the fidelity approaches 1 exponentially in [gamma] T where [gamma] is a characteristic damping rate. Hence, a good fidelity is achieved even for a transfer time of a few damping times. Possible implementations of the theory are discussed. (author)
Availability note (English)
Available from Library of the University of Innsbruck, Innrain 50, 6020 Innsbruck (AT)Abstract (German)
Diese Dissertation befasst sich mit theoretischen Untersuchungen in einem Forschungsgebiet an der Schnittstelle von Quantenoptik, Nanomechanik und mesoskopischer Festkoerperphysik und der Entwicklung neuartiger Methoden zur Erzeugung und UEbertragung von bestimmten Quantenzustaenden in ausgewaehlten hybriden Systemen. Der Schwerpunkt des ersten Teiles der Dissertation ist der Quantenlimes eines makroskopischen Objektes - eines nanomechanischen Resonators. Dieser wird fuer zwei verschiedene physikalische Systeme untersucht. Das erste System ist ein nanomechanischer Balken, der in einen supraleitendenden Schaltkreis, ein ringfoermiges Cooperpaar-Box (CPB) - Qubit, integriert wird. Mittels der Kopplung der Bewegung des Balkens durch die Lorentzkraft an die Kreisstroeme im CPB-Schaltkreis wird Energie an das CPB-Qubit, welches als dissipatives Zweiniveausystem fungiert, uebertragen. Der Kuehlprozess wird mittels einer verstimmten Gate-Spannung, die an der CPB angelegt wird, getrieben. Wir analysieren das Spektrum der kuehlenden Kraft und stellen die analytischen Ausdruecke fuer die Kuehlrate und die Besetzungszahl im Endzustand fuer einen breiten Parameterbereich dar. Insbesondere koennen wir zeigen, dass der Kuehlprozess im Bereich starken Treibens optimiert wird, und wir stellen die sich daraus ergebenden notwendigen Bedingungen fuer das Kuehlen zum Grundzustand dar. Fuer ein zweites System untersuchen wir die Erzeugung eines gequetschten Zustandes eines mechanischen Oszillators (vibrierende Membran oder beweglicher Spiegel) in einem optomechanischen Aufbau. Ein optischer Resonator wird mit gequetschtem Licht getrieben und koppelt mittels Strahlungsdruck an den mechanischen Oszillator. Dies stellt ein effektives thermisches Bad fuer den mechanischen Oszillator dar. Es wird gezeigt, dass unter den Bedingungen, die fuer das Laserkuehlen zum Grundzustand gelten, die effektive UEbertragungsrate des gequetschten Zustandes des Lichtfeldes auf den mechanischen Oszillator etwa 60% (auf einer dB-Skala) betraegt. Wir bestimmen die Bedingungen fuer die Traegerfrequenz und die Bandbreite des gequetschten Lichtes. Jenseits der Bedingungen, die zum Grundzustandskuehlen fuehren, prognostizieren wir dass es moeglich sein sollte, in aktuellen Systemen 'Squashing' des mechanischen Oszillators zu beobachten. Der zweite Teil der Dissertation beschaeftigt sich mit der Zustandsuebertragung eines beliebigen Quantenzustandes. Es wird gezeigt, dass man durch Optimierung der Zeitabhaengigkeit der Wechselwirkung zwischen einem harmonischen Oszillator und einem Wellenleiter den Quantenzustand des Oszillators zu einem anderen Oszillator ueber den Wellenleiter uebertragen kann, wobei die Guete der UEbertragung unabhaengig vom Ausgangszustand der beiden Oszillatoren ist. Wir zeigen, dass sich die UEbertragungsguete exponentiell in [gamma] T an 1 naehert, wobei T die UEbertragungszeit und [gamma] eine charakteristische Daempfungsrate beschreibt. Dies ermoeglicht, eine gute UEbertragungsguete fuer UEbertragungszeiten in der Groessenordnung von wenigen inversen Daempfungsraten zu erhalten. Moegliche Implementierungen der Theorie werden diskutiert. (author)Additional details
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 103 p.
INIS
- Country of Publication
- Austria
- Country of Input or Organization
- Austria
- INIS RN
- 43051203
- Subject category
- S71: CLASSICAL AND QUANTUM MECHANICS, GENERAL PHYSICS;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis, Non-conventional Literature
- Descriptors DEI
- COOLING; COOPER PAIRS; EXCITED STATES; LORENTZ FORCE; NANOSTRUCTURES; OSCILLATORS; POWER TRANSMISSION LINES; QUANTUM ELECTRONICS; QUANTUM STATES; QUBITS; RADIATION PRESSURE; RESONATORS; VISIBLE RADIATION
- Descriptors DEC
- ELECTROMAGNETIC RADIATION; ELECTRONIC EQUIPMENT; ENERGY LEVELS; EQUIPMENT; INFORMATION; QUANTUM INFORMATION; RADIATIONS