論文の概要: Room-temperature quantum optomechanics using an ultra-low noise cavity

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2309.15051v1
• Date: Tue, 26 Sep 2023 16:27:32 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-09-27 12:54:03.611406
• Title: Room-temperature quantum optomechanics using an ultra-low noise cavity
• Title（参考訳）: 超低ノイズキャビティを用いた室温量子光学
• Authors: Guanhao Huang, Alberto Beccari, Nils J. Engelsen, Tobias J. Kippenberg
• Abstract要約: 音速駆動型膜インザミドルシステムにおいて, 室温でのオプティメカニカルスクイーズを実証した。 鏡を結晶構造でパターン化した高精細キャビティを用いて,700倍以上の共振周波数雑音を低減させる。 これらの進歩により、ハイゼンベルク極限の2.5倍の範囲内での操作が可能となり、真空の揺らぎの下でプローブ場が1.09dB縮小する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Ponderomotive squeezing of light, where a mechanical oscillator creates quantum correlations between the phase and amplitude of the interacting light field, is a canonical signature of the quantum regime of optomechanics. At room temperature, this has only been reached in pioneering experiments where an optical restoring force controls the oscillator stiffness, akin to the vibrational motion of atoms in an optical lattice. These include both levitated nanoparticles and optically-trapped cantilevers. Recent advances in engineered mechanical resonators, where the restoring force is provided by material rigidity rather than an external optical potential, have realized ultra-high quality factors (Q) by exploiting `soft clamping'. However entering the quantum regime with such resonators, has so far been prevented by optical cavity frequency fluctuations and thermal intermodulation noise. Here, we overcome this challenge and demonstrate optomechanical squeezing at room temperature in a phononic-engineered membrane-in-the-middle system. By using a high finesse cavity whose mirrors are patterned with phononic crystal structures, we reduce cavity frequency noise by more than 700-fold. In this ultra-low noise cavity, we introduce a silicon nitride membrane oscillator whose density is modulated by silicon nano-pillars, yielding both high thermal conductance and a localized mechanical mode with Q of 1.8e8. These advances enable operation within a factor of 2.5 of the Heisenberg limit, leading to squeezing of the probing field by 1.09 dB below the vacuum fluctuations. Moreover, the long thermal decoherence time of the membrane oscillator (more than 30 vibrational periods) allows us to obtain conditional displaced thermal states of motion with an occupation of 0.97 phonon, using a multimode Kalman filter. Our work extends quantum control of engineered macroscopic oscillators to room temperature.
• Abstract（参考訳）: 機械的発振器が相互作用する光場の位相と振幅の間に量子相関を生じさせる光の振舞いは、光力学の量子状態の標準的シグネチャである。 室温では、光回復力が光格子内の原子の振動運動に似た振動子剛性を制御する先駆的な実験にしか到達していない。 これには、浮遊ナノ粒子と光学式カンチレバーの両方が含まれる。 外部の光学ポテンシャルよりも材料剛性により復元力を付与する機械共振器の最近の進歩は、「ソフトクランプ」を利用して超高品質因子(q)を実現している。 しかし、そのような共振器で量子状態に入ることは、これまで光学共振器の周波数変動と熱間変調ノイズによって妨げられてきた。 ここでは, この課題を克服し, 音波駆動型膜インザミドルシステムにおいて, 室温でのオプトメカニカルスクイーズを実証する。 鏡を結晶構造でパターン化した高精細キャビティを用いて,700倍以上の共振周波数雑音を低減させる。 シリコンナノピラーで密度を変調した窒化ケイ素膜発振器を導入し, 高い熱伝導率と 1.8e8 の局部化機構を両立させた。 これらの進歩により、ハイゼンベルク極限の2.5倍の範囲内での操作が可能となり、真空の揺らぎの下でプローブ場が1.09dB縮小する。 さらに、膜発振器の長い熱的非一貫性時間(30以上の振動周期)は、マルチモードカルマンフィルタを用いて、0.97フォノンの占有で条件付き変位した運動状態を得ることができる。 我々の研究は、エンジニアリングされたマクロ振動子の量子制御を室温まで拡張する。

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