[論文レビュー] Coherent noise cancellation in optomechanical system with double optical modes

Jia‐shun Yan, Jun Jing|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2020

Mechanical and Optical Resonators参考文献 62被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、弱力測定におけるコherent量子ノイズキャンセレーション（CQNC）のための二重光モード光機械系を提案する。高周波モードを駆動し、低周波モードをプローブすることで、準共鳴な補助モードに結合してバックアクションノイズをキャンセルする。この方式により、Routh-Hurwitz基準および光スプリング条件の両方に従って、膜の中間型やねじれキャビティ型の実用的で三成分構成の設定においても、標準量子限界を下回る感度と向上した耐障害性を同時に達成する。

ABSTRACT

The coherent quantum noise cancellation (CQNC) strategy has been performed in the single-mode optomechanical systems to promote an ultra-sensitive metrology protocol to break the standard quantum limit. The key idea of CQNC is that the backaction noises arising from radiation pressure and driving can be offset by coupling the optical mode to a near-resonant ancillary mode. In this work, a continuous weak-force sensing under CQNC is developed in a double-mode optomechanical system consisted of two optical modes with distinct frequencies and a mechanical mode. In particular, under the asymmetrical treatment by driving the higher-frequency optical mode, probing the lower-frequency one, and coupling the probe mode to the ancillary mode, our configuration can be used to resemble the conventional CQNC sensing. It is more important to find that the current CQNC strategy simultaneously stabilizes the double-mode system with respect to both the constrained driving power (the Routh-Hurwitz criterion) and the effective positive mechanical damping (the stable optical-spring condition). Moreover, through exploiting the coupling between the probe mode and the ancillary mode under this nontrivial extension of the CQNC strategy (from the single-mode version to the double-mode one), the rotating-wave term and the counter-rotating term are found to be responsible to the system stability and the noise cancellation, respectively. In realistic situations, our scheme can be practiced in a tripartite optomechanical setup with a membrane in the middle and a twisted-cavity-based weak-torque detector.

研究の動機と目的

• コherent量子ノイズキャンセレーション（CQNC）を単一モード系から二重光モード光機械系へ拡張すること。
• バックアクションノイズを抑制することで、連続的弱力測定において標準量子限界（SQL）を下回る感度を達成すること。
• 駆動力の上限（Routh-Hurwitz基準）と有効な正の機械的減衰（光スプリング条件）の両方を満たすシステム安定性を確保すること。
• 回転波項と反転回転項がノイズキャンセレーションおよびシステム安定性に果たす役割を調査すること。

提案手法

• 二つの異なる周波数を持つ光モードと機械モードから成る系であり、非対称に駆動される：高周波モードは駆動され、低周波モードはプローブされる。
• 補助モードをプローブモードに結合させることで、バックアクションノイズの破壊的干渉によるコherentノイズキャンセレーションを実現する。
• ハミルトニアンの線形化により、有効な単一モード系に簡略化され、感受度関数およびノイズスペクトルの解析的取り扱いが可能になる。
• Routh-Hurwitz基準を適用して、システム安定性を保証する最大駆動力の上限を特定する。
• 光スプリング条件を用いて、有効な正の機械的減衰が確保されることを検証し、機械的安定性を確認する。
• 回転波項と反転回転項を分析し、それぞれが果たす役割を特定する：回転波項は安定性に寄与し、反転回転項はノイズキャンセレーションに寄与する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CQNCは、単一モード系から二重光モード光機械系へと成功裏に拡張可能であり、弱力測定の感度向上に寄与するか？
• RQ2 高周波モードを駆動し、低周波モードをプローブすることで、システム安定性およびノイズ抑制にどのような影響を与えるか？
• RQ3 回転波項と反転回転項は、システム安定性およびノイズキャンセレーションを決定づける上で果たす役割は何か？
• RQ4 Routh-Hurwitz基準および光スプリング条件の両方に従って、二重モード系が同時に安定化可能か？
• RQ5 プローブモードと補助モードの結合は、どのようにして効果的なノイズキャンセレーションと感度向上を実現するか？

主な発見

• 二重モード光機械系は、補助モードに結合させることで、バックアクションノイズのコherentキャンセレーションを可能にし、標準量子限界を下回る感度を達成する。
• システムはRouth-Hurwitz基準（駆動力の上限）および光スプリング条件（有効な正の減衰の確保）の両方に従って安定している。
• 回転波項はシステム安定性に起因し、反転回転項はノイズキャンセレーションに起因することが判明した。
• 高周波モードを駆動し、低周波モードをプローブする構成は、避ける正規モード分裂を示し、機械的周波数近傍で強い結合と向上した感度を示している。
• この方式は、従来の膜中間型構成および新規のねじれキャビティ型弱トルク検出器の両方で実現可能であり、高い実用的妥当性を有する。