[論文レビュー] Brillouin optomechanics in the quantum ground state

Hugo M. Doeleman, Tom Schatteburg+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Mechanical and Optical Resonators被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ドライバーション・リフリッジャー内での自己整列型・振動に強くない設計を用いることで、バルク音響波（BAW）共振器をブリルアン光力学系において基底状態で動作させることを示した。200 mKで熱フォノン占有数が0.5未塔に達する。レーザー誘起加熱が低減され、強い光ポンプ条件下でもフォノン占有数が無視できるほど小さく保たれ、低ノイズのマイクロ波-光変換が実現可能である。

ABSTRACT

Bulk acoustic wave (BAW) resonators are attractive as intermediaries in a microwave-to-optical transducer, due to their long coherence times and controllable coupling to optical photons and superconducting qubits. However, for an optomechanical transducer to operate without detrimental added noise, the mechanical modes must be in the quantum ground state. This has proven challenging in recent demonstrations of transduction based on other types of mechanical resonators, where absorption of laser light caused heating of the phonon modes. In this work, we demonstrate ground state operation of a Brillouin optomechanical system composed of a quartz BAW resonator inside an optical cavity. The system is operated at $\sim$200 mK temperatures inside a dilution refrigerator, which is made possible by designing the system so that it self-aligns during cooldown and is relatively insensitive to mechanical vibrations. We show optomechanical coupling to several phonon modes and perform sideband asymmetry thermometry to demonstrate a thermal occupation below 0.5 phonons at base temperature. This constitutes the heaviest ($\sim$494 $μ$g) mechanical object measured in the quantum ground state to date. Further measurements confirm a negligible effect of laser heating on this phonon occupation. Our results pave the way toward low-noise, high-efficiency microwave-to-optical transduction based on BAW resonators.

研究の動機と目的

• マイクロ波-光量子変換に不可欠な、バルク音響波（BAW）共振器の光力学系における量子基底状態動作を達成すること。
• 低温下で基底状態冷却を妨げていた、従来のBAW光力学系におけるレーザー誘起加熱の課題を克服すること。
• BAW共振器が強い光ポンプ下でも低熱的占有状態を維持できることを実証し、高協同性動作を可能にすること。
• 量子基底状態に達した最も質量の大きな力学的対象（質量約494 µg）の機械的占有状態を測定すること。
• サイドバンド非対称性温度計測法とレーザー位相ノイズ解析を通じて、システムの安定性および低ノイズ性能を検証すること。

提案手法

• 電磁歪みおよびフォト弾性効果を介してブリルアン光力学結合を実現するため、z軸切片の石英BAW共振器を用いたファブリ-ペロー光学キャビティを採用した。
• ハミルトニアンの線形化と有効光力学結合定数の増大を図るため、赤方（周波数が低い）光学モードに強いポンプレーザーを照射し、gm = g0,m αcav_pの関係を達成した。
• サイドバンド非対称性温度計測法を用い、赤方および青方ポンプによる温度計測信号積分比を測定することで、機械的フォノン占有状態を推定した。
• レーザー位相ノイズおよび有効バンド幅を考慮したモデルを用いて、推定値を補正し、バックアクションおよびノイズ寄与を補正した。
• 光学モード強度と機械的歪みの重ね合わせ積分から導かれる、歪み場のルート平均二乗（RMS）変位を用いて、フォノンモードの有効質量を計算した。
• 冷却時の自己整列性および機械的安定性を高める設計を採用し、振動誘起加熱およびモード結合を最小限に抑えた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い光ポンプ下においても、バルク音響波（BAW）共振器がブリルアン光力学系で量子基底状態に冷却可能か？
• RQ2 ミリケルビン温度域におけるBAWベース光力学系において、レーザー誘起加熱がフォノン占有状態に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ3 ブリルアン光力学系において、量子基底状態に冷却可能な最大の機械的質量は何か？
• RQ4 レーザー位相ノイズが存在する状況下で、サイドバンド非対称性温度計測法が熱的占有状態をどの程度正確に測定できるか？
• RQ5 ガウス型光学モード重ね合わせを持つBAW共振器において、非固有モードフォノン励起の有効質量を意味的に定義・計算できるか？

主な発見

• ベース温度（約200 mK）で熱フォノン占有状態が0.3–0.4に達し、量子基底状態での動作が確認された。
• レーザー加熱の影響は無視できるほど小さく、実際の占有状態と推定値の差が0.01フォノン未塔であった。
• RMS変位を用いた計算により、測定されたフォノンモードの有効質量は494 µgと算出され、これまでに基底状態に達した最も重い力学的対象となった。
• サイドバンド非対称性温度計測法により、0.5フォノン未塔の熱的占有状態が確認され、ninf_th = 0.4の測定値がさまざまなノイズモデルと整合的であった。
• 高いポンプパワーに近い状態（協同性が1に近い）でも、システムは基底状態に保たれ、推定占有状態は0.5フォノン未塔のまま維持された。
• 位相ノイズ解析により、推定占有状態に対する補正が無視できるほど小さく（≤0.01フォノン）、実験的条件下での温度計測法の妥当性が裏付けられた。