[論文レビュー] Engineered dissipative reservoir for microwave light using circuit optomechanics

L. D. Tóth, Nathan Bernier+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2016

Mechanical and Optical Resonators被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、マイクロ波回路オプトメカニカル系において、機械的オシレータがマイクロ波光子の冷たい、設計された散逸源として機能する逆散逸状態を示している。機械的減衰を制御することで、著者らはマイクロ波場のリアルタイムでの増幅および減衰を達成し、パラメトリック不安定性（マイジング）を観測し、低雑音で位相を保存する増幅器を実装した。これにより、量子マイクロ波操作およびもつれのための新たな道筋が開かれる。

ABSTRACT

Isolation of a system from its environment is often desirable; however, dissipation can also be a useful resource. Remarkably, engineered dissipation enables the preparation and stabilization of quantum states of atoms, ions or superconducting qubits. This is achieved by a suitably engineered coupling to a dissipative cold reservoir formed by electromagnetic modes. Similarly, in the field of cavity electro- and optomechanics the control over mechanical oscillators utilizes the inherently cold dissipative nature of the electromagnetic degree of freedom. Breaking from this paradigm, recent theoretical work has considered the opposite regime in which the dissipation of the mechanical oscillator dominates and provides a cold dissipative reservoir to the electromagnetic mode. Here we report the experimental realization of this reversed dissipation regime in a microwave cavity optomechanical system and realize a quasi-instantaneous, cold reservoir for microwave light. We evidence this regime by decreasing or increasing the damping rate of the cavity on demand, that corresponds to amplification and de-amplification of the microwave field. Additionally, we observe the onset of parametric instability, i.e. the stimulated emission of microwaves (masing). Moreover, we employ the engineered cold reservoir to implement a low-noise, large-gain phase-preserving amplifier. Beyond offering the manipulation of microwave fields, such a dissipative reservoir for microwave light, when coupled to multiple cavity modes, forms the basis of microwave entanglement schemes, electromechanical amplifiers with unlimited gain-bandwidth product and dissipative quantum phase transitions. Equally important, combining such reservoir-mediated interaction with coherent dynamics allows for the realization of non-reciprocal devices, which would extend the available toolbox of quantum-limited microwave manipulation techniques.

研究の動機と目的

• 機械的減衰が支配的であり、マイクロ波光子の冷たいバケツとして機能する逆散逸状態を実現すること。
• 機械的オシレータの結合を通じて、マイクロ波場の減衰率に対する動的制御を実証すること。
• 設計されたバケツを用いて、低雑音で大利得、位相を保存する増幅器を実装すること。
• このようなバケツがマイクロ波もつれの生成や非再帰的デバイスの実現に与える可能性を調査すること。

提案手法

• 超伝導マイクロ波キャビティと機械的オシレータとの間で強い結合を有するマイクロ波キャビティ・オプトメカニカル系を用いる。
• 機械的オシレータの減衰率を調整し、電磁モードのチューナブルで冷たいバケツとして機能させる。
• 時間に依存する機械的散逸の制御を施し、マイクロ波場の増幅または減衰を誘発する。
• バケツが共鳴状態に調整された際に、マイクロ波の誘導放出（マイジング）として現れるパラメトリック不安定性を観測する。
• 最小限の雑音で追加されるバケツ媒介相互作用を活用して位相を保存する増幅器を実装する。
• もつれや量子制限のデバイスへの応用を可能とするために、マルチモード系へのフレームワークの拡張を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回路オプトメカニカル系において、機械的散逸を設計してマイクロ波光子の冷たいバケツとして機能させることは可能か？
• RQ2 機械的減衰の動的制御が、マイクロ波場の増幅および減衰に与える影響は何か？
• RQ3 設計されたバケツがマイクロ波系におけるパラメトリック不安定性（マイジング）の発現に果たす役割は何か？
• RQ4 バケツ媒介相互作用を用いて、低雑音で高利得の位相を保存する増幅器を構築することは可能か？
• RQ5 このようなバケツが散逸的量子相転移および非再帰的マイクロ波デバイスに与えるインパクトは何か？

主な発見

• 実験により、機械的オシレータがマイクロ波光子の冷たい設計されたバケツとして機能する逆散逸状態が実現された。
• マイクロ波キャビティの減衰率が、必要に応じて制御可能に増加または減少し、マイクロ波場の増幅および減衰が可能となった。
• バケツが共鳴状態に調整された際に、マイクロ波の誘導放出（マイジング）として現れるパラメトリック不安定性が実験的に観測された。
• バケツ媒介相互作用を用いて、低雑音で大利得の位相を保存する増幅器が成功裏に実装された。
• 設計されたバケツにより、マイクロ波もつれの生成および非再帰的マイクロ波デバイスの実現が可能になった。
• 本系は、散逸的量子相転移および無限大の利得帯域幅積を持つ電磁機械的増幅器の基盤を示した。