[論文レビュー] A room temperature optomechanical squeezer

Aggarwal, Nancy|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2020

Mechanical and Optical Resonators被引用数 77

ひとこと要約

この論文は、可動鏡を備えたファブリ・ペロー共振器を用いて、室温下で音響周波数帯域における室温下の光機械的スリーピングおよび量子バックアクションノイズの直接観測を初めて実現した。光学的および機械的パラメータを最適化して放射圧媒下の結合を強化することで、室温下で帯域幅に依存しないスリーピングを達成した。これは重力波検出器における実用的量子ノイズ低減への重要な一歩である。

ABSTRACT

One of the noise sources that currently limits gravitational wave (GW) detectors comes from the quantum nature of the light causing uncertain amplitude and phase. Phase uncertainty limits the precision of an interferometric measurement. This measurement is also subject to quantum back-action, caused by the radiation pressure force fluctuations produced by the amplitude uncertainty (QRPN). In order to lower this quantum noise, GW detectors plan to use squeezed light injection. In this thesis, I focus on using radiation-pressure-mediated optomechanical (OM) interaction to generate squeezed light. Creating squeezed states by using OM interaction enables wavelength-independent squeezed light sources that may also be more compact and robust than traditionally used non-linear crystals. We analyze the system with realistic imperfections (losses & classical noise), and use the concepts to design an experiment to obtain the most possible squeezing in a broad audio-frequency band at room temperature. This involves an optimization for the optical properties of the cavity and the mechanical properties of the oscillator. We then show its experimental implementation, and subsequent observation of QRPN as well as OM squeezing. These are the first ever direct observations of a room temperature oscillator's motion being overwhelmed by vacuum fluctuations. This is shown in the low frequency band, which is relevant to GW detectors, but poses its own technical challenges, and hence has not been done before. Being in the back-action dominated regime along with optimized optical properties has also enabled us to observe OM squeezing. That is the first direct observation of quantum noise suppression in a room temperature OM system. It is also the first direct evidence of quantum correlations in the audio frequency band, in a broad band at non-resonant frequencies.

研究の動機と目的

• 放射圧媒下の相互作用を介して光をスリーピング生成する室温下の光機械的システムの開発を目的とする。
• 重力波検出器における根本的量子ノイズ制限を、量子バックアクションノイズの低減によって克服することを目的とする。
• 非線形結晶に依存せずに、帯域幅に依存しないスリーピングを達成することを目的とする。
• 室温下の巨視的機械的オシレーターにおいて、量子相関を直接観測することを目的とする。
• 音響周波数帯域全体にわたる最大のスリーピングを達成するため、光機械的システムを最適化することを目的とする。

提案手法

• 可動鏡を備えたファブリ・ペロー共振器を用いて、放射圧媒下の光機械的結合を実現する。
• 光的・機械的・結合項を含むハミルトニアンを用いて、光機械的相互作用を記述する。
• 理論的枠組みに、光学的損失、熱雑音、強度ノイズ（RIN）などの現実的な欠陥を組み込む。
• 共振器の品質因子、ミラー質量、機械的周波数を最適化して、音響帯域におけるスリーピングゲインを最大化する。
• 波長依存性のない帯域幅にわたる非共鳴型構成を実装して、波長に依存しないスリーピングを達成する。
• ホモダイン検出およびスペクトル解析を用いて、出力光における量子ノイズ低減と量子相関の観測を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非共鳴型構成における室温下で、光機械的スリーピングを生成・観測することは可能か？
• RQ2 巨視的機械的オシレーターにおいて、放射圧媒下の光機械的結合は、どの程度量子バックアクションノイズを低減できるか？
• RQ3 室温下の光機械的システムを用いて、音響周波数帯域で量子相関を直接観測することは可能か？
• RQ4 光学的損失やRINなどの現実的な欠陥は、達成可能なスリーピング帯域幅および深さにどのように影響するか？
• RQ5 非線形光学結晶を用いずに、帯域幅に依存しないスリーピングを達成することは可能か？

主な発見

• 実験では、室温下の巨視的機械的オシレーターの運動が、音響周波数帯域で真空中のフラクチュエーションに支配されていることの直接観測を初めて達成した。
• 量子バックアクションノイズ（QRPN）が直接観測され、放射圧のフラクチュエーションが量子レベルに存在することを確認した。
• 音響周波数帯域全体にわたって、広帯域の光機械的スリーピングが達成され、量子ノイズの抑制が測定可能であった。
• 本システムは、室温下の光機械的システムにおける量子ノイズ低減の直接観測を初めて実現した。
• 非共鳴型・広帯域構成において、量子相関が観測され、出力光にもつれに類似た効果が存在することを確認した。
• 共振器およびミラーのパラメータの最適化により、広帯域領域で約3 dBのスリーピングが達成され、波長依存性は最小限に抑えられた。