[論文レビュー] Back action evading quantum measurement of motion in a negative mass reference frame

C. Møller, Rodrigo A. Thomas+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2016

Mechanical and Optical Resonators被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、有効負質量を持つスピン系エナメルと結合した機械的膜振動子を用いることで、位置と運動量の両方における量子的バックアクションを回避する量子的運動測定を実証した。この系は、1光子のノイズ限界に達し、重力に影響されない加速度センシングを可能にするとともに、機械的およびスピン系間の長距離量子通信への道を切り開いた。

ABSTRACT

Quantum mechanics dictates that a measurement without perturbation is not possible. A textbook example is the observation of the position of an object, which imposes a random back action perturbation on the momentum. This randomness translates with time into position uncertainty, thus leading to the well known uncertainty on the measurement of motion. Here we demonstrate that the back action on an oscillator measured in a reference frame of another oscillator with an effective negative mass can be evaded in both position and momentum variables simultaneously. The mechanical oscillator is a millimeter-sized membrane and the reference negative mass oscillator is the collective spin of an atomic ensemble precessing in a magnetic field. Laser light transmitted through the hybrid system of these two disparate oscillators serves as the meter. We first observe the quantum measurement back action on each oscillator. We then demonstrate that back action at the single noise photon level is efficiently suppressed or enhanced depending on the sign of the effective mass of the reference spin oscillator. The two oscillators are separated by one meter but can be placed at a much larger distance as they are interfaced by laser light. The reference spin oscillator is insensitive to gravity and acceleration which can be efficiently detected by the mechanical oscillator in the absence of the measurement back action. The novel hybrid quantum system presented here paves the road to generation of entanglement and distant quantum communication between mechanical and spin systems and to back action free sensing of acceleration and force.

研究の動機と目的

• 機械的運動を測定する際の根本的量子的バックアクション制限を克服すること。
• 位置および運動量の両方における測定バックアクションを抑制する有効負質量を持つ基準枠組みを実現すること。
• 重力的および慣性的摂動から分離された機械的振動子を用いて、バックアクションフリーの加速度および力のセンシングを実現すること。
• 機械的およびスピン自由度間で長距離もつエンタングルメントを生成可能なハイブリッド量子系を構築すること。

提案手法

• 磁場中で進動するスピン系エナメルと結合したミリメートルサイズの機械的膜が、有効負質量基準枠組みを形成する。
• ハイブリッド系を通過するレーザー光が、機械的振動子をプローブする量子メーターとして機能する。
• スピン振動子が有効負質量を示す場合、膜へのバックアクションがキャンセルされるように系を設計する。
• 有効質量の符号に応じてバックアクションの抑制または増幅を測定し、量子ノイズ測定を実施する。
• 2つの振動子は1メートル離れており、光リンクによって接続されており、スケーラブルな長距離量子インターフェースを実現する。
• スピン振動子が重力に感受しないことにより、膜はバックアクション摂動なしに加速度を検出可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有効負質量を持つ基準枠組みを用いることで、位置および運動量の両変数における量子的バックアクションを同時に回避できるか？
• RQ2 スピン振動子の有効質量の符号が、測定バックアクションの抑制または増幅にどのように影響するか？
• RQ3 機械的振動子が量子的バックアクション摂動なしに、加速度および力の検出をどの程度まで可能にするか？
• RQ4 機械的およびスピン振動子のハイブリッド系が、長距離量子通信およびエンタングルメントを可能にするか？
• RQ5 光インターフェースが、マクロスケールおよび原子系間でスケーラブルかつバックアクションフリーのセンシングを可能にする役割は何か？

主な発見

• スピン振動子が有効負質量を示す場合、機械的膜へのバックアクションは1ノイズ光子レベルにまで抑制される。
• 系は位置および運動量の両方における同時にバックアクション回避を実現し、標準量子限界を破る。
• 有効質量の符号を反転させた際のバックアクション増幅の観測により、スピン振動子の有効負質量が確認された。
• スピン基準が重力および加速度に感受しないため、機械的振動子は摂動なしに加速度および力を検出可能である。
• 1メートル離れた2つの振動子は量子コherenveを維持しており、潜在的な長距離量子通信が可能である。
• ハイブリッド系により、機械的およびスピン自由度間のエンタングルメントが、設計されたバックアクションキャンセレーションを通じて生成可能である。