[論文レビュー] Exploring quantum correlations in a hybrid optomechanical system

Smail Bougouffa, Mohannad Al‐Hmoud+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2022

Mechanical and Optical Resonators参考文献 81被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、光子およびフォノンのトンネル効果を介してキャビティ内もつれを強化する二つの結合したキャビティを有するハイブリッドオプトメカニカル系を提案する。古典的レーザー駆動を用い、対数的負量および量子ステアリングを分析することで、最適な結合定数がもつれを顕著に向上させることを示した。本研究は、マクロな機械的モードを用いた量子情報処理のためのチューナブルなプラットフォームを提供する。

ABSTRACT

In quantum simulations and experiments on optomechanical cavities, coherence control is a challenging issue. We propose a scheme of two coupled optomechanical cavities to enhance the intracavity entanglement. Photon hopping is employed to establish couplings between optical modes, while phonon tunneling is utilized to establish couplings between mechanical resonators. Both cavities are driven by classical light. We explore the influences of coupling strengths of the quantum correlations generated inside each cavity using two types of quantum measures: logarithmic negativity and quantum steering. This analysis will reveal the significance of these quantum metrics as well as their various aspects in the Doppler regime. We also investigate stability conditions based on coupling strengths. Therefore, it is possible to quantify the degree of intracavity entanglement. The generated entanglement can be enhanced by choosing the appropriate photon and phonon hopping strengths. A set of parameters based on the currently available experimental data was used in the calculations.

研究の動機と目的

• 二つの結合したキャビティを有するハイブリッドオプトメカニカル系における量子相関を調査すること。
• 光子およびフォノンのトンネル効果がキャビティ内もつれをどのように強化するかを検討すること。
• ドーナルド領域におけるもつれ指標としての対数的負量および量子ステアリングの有効性を評価すること。
• 安定な量子状態生成のための結合定数に基づく安定性条件を特定すること。

提案手法

• 回転波近似を用い、放射圧結合を組み込んだ二つの結合したオプトメカニカルキャビティのハミルトニアンを導出する。
• マーカイアンノイズおよび減衰を考慮した光学モードおよび機械的モードのダイナミクスを記述するための量子ランジュバン方程式を定式化する。
• 線形化により、四分位数フラクチュエーションの結合確率微分方程式が得られ、定常状態近似で解ける。
• 相関行列を計算し、量子フラクチュエーションを特徴づけ、安定性を評価する。
• 光学モードおよび機械的モード間のもつれ指標として対数的負量および量子ステアリングを計算する。
• 実験的パラメータを用いた数値シミュレーションにより、もつれの強化を定量的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光学モード間の光子トンネル効果がハイブリッドオプトメカニカル系におけるキャビティ内もつれにどのように影響するか。
• RQ2 機械的共振子間のフォノントンネル効果が量子相関をどの程度強化できるか。
• RQ3 ドーナルド領域におけるキャビティ内もつれの定量的評価において、対数的負量と量子ステアリングはどのように比較されるか。
• RQ4 もつれを最大化しつつシステムの安定性を維持するための最適な結合定数は何か。

主な発見

• 最適な光子トンネル強度が、対数的負量で測定されたキャビティ内もつれを顕著に向上させる。
• 機械的共振子間のフォノントンネル効果がさらにもつれを増幅し、特定の結合率で最大値を示す。
• 量子ステアリングは非古典的相関の感受性の高い指標として浮き彫りにされ、ドーナルド領域で特徴的な挙動を示す。
• 相関行列から解析的に導出された安定性条件を満たす範囲で、システムは広い結合パラメータ範囲で安定である。
• 高いもつれを達成可能な実験的に実現可能なパラメータセットが同定され、本手法の実用的妥当性が裏付けられた。
• 対数的負量と量子ステアリングは相補的な挙動を示し、さまざまな結合条件下でももつれの頑健性が強調された。