研究论文 | 量子压缩诱导的非互易声子激光
《中国科学：物理学 力学 天文学》英文版(SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy, SCPMA)出版湖南师范大学景辉教授和匡乐满教授、南京大学夏可宇教授及赣南师范大学卢天祥博士等合作的研究成果，文章题为“Quantum squeezing induced nonreciprocal phonon laser”，于2024年第67卷第6期刊出。
众所周知，由于海森堡不确定性原理的限制，量子测量的精度不可能被无限制地提高。为了解决这个困难，科学家们采用了一种名为“压缩态”的方法。例如压缩光，其中光子数目的涨落很小，但是辐射压强的涨落很大（反之亦然），因此仍然满足不确定关系。压缩光可以通过非线性光学过程得到，并具有确定性产生、量子探测效率高、与经典通信系统兼容性好等优势，因而近年来被广泛用于量子精密测量、量子通信和量子计算等领域中。例如，使用压缩光可以降低散粒噪声，用于探测来自中子星或小黑洞并合的引力波。同时，“九章”系列量子计算原型机也成功地利用压缩光实现了量子计算的优越性。
最近，南京大学夏可宇教授课题组理论提出在由两个铌酸锂基非线性环形微腔和两根耦合波导组成的系统中利用单向压缩光诱导光学非互易的理论方案。当用相干场单向驱动其中一个环形微腔时，非线性参量下转换产生逆时针的压缩腔模，从而诱导微腔模式之间的手性耦合，实现非互易光传输。所谓的“非互易性”是指同一信号从相反方向输入时，表现出不同的响应的物理性质。这种性质在隐形传感、隐形斗篷及噪声屏蔽通信等方面有非常重要的应用，并已在诸多人工光声电器件中被研究和实现。如今，在量子光学领域开创的许多思想和技术，正在被进一步发展到腔光力学领域。因此，如何将定向量子压缩效应用于腔光力系统，结合非互易物理和腔光力系统的优势，以提高腔光力器件的性能和探索更多的新奇物理效应，已经成为一个非常重要的研究方向。
本文提出了在杂化腔光力系统中利用单向量子压缩腔模实现声子激光单向激发的理论方案。该系统由一个铌酸锂基非线性微腔和一个光力微腔组成，通过单向压缩腔模，实现了更低功率阈值的非互易声子激光，且具有光学参数易于调节和芯片集成等优势。这种单向声子激光技术对于实现单向力学放大器、手性声子操纵与背散免疫声波传输网络，以及非互易运动传感和精密测量具有重要意义。同时，该研究结果为进一步在杂化腔光力系统中研究单向量子压缩诱导的非互易声子阻塞、非互易光力纠缠和非互易量子精密测量提供了理论基础。国际量子光学兰姆（Lamb）奖得主、《物理评论快报》前任主编、美国亚利桑那大学光科技中心Chair professor Pierre Meystre就本工作写了专文亮点推荐文章。
此外，基于量子压缩效应，该课题组还取得了其他系列研究成果：包括量子压缩增强的超灵敏光力传感[Sci. China-Phys. Mech. Astron. 63, 224211 (2019)]，利用力学压缩实现磁子-声子以及声子介导的磁子-自旋相互作用的指数型增强[Sci. China-Phys. Mech. Astron. 66, 110311 (2023)]，及稳定长寿命原子猫态的制备[Phys. Rev. Lett. 127, 093602 (2021)]。
