[論文レビュー] Nonlinear Phonon Interferometry at the Heisenberg Limit

Hil Fung Harry Cheung, Yogesh Sharad Patil+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2016

Mechanical and Optical Resonators被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、パラメトリック増幅器を用いて異なる曲げモード間の強い二モード相関を生成することで、ハイゼンベルク制限に達する位相感度を実現するミリメートルスケールの機械的共振器における非線形フォノン干渉計を実証した。最大15.4(3) dBのノイズ圧縮と、従来の干渉計と比較して6倍の測定精度向上を報告し、損失や非効率に対しても頑健であるという点で、巨視的機械系におけるSU(1,1)干渉計の妥当性を検証した。

ABSTRACT

Interferometers operating at or close to quantum limits of precision have found wide application in tabletop searches for physics beyond the standard model, the study of fundamental forces and symmetries of nature and foundational tests of quantum mechanics. The limits imposed by quantum fluctuations and measurement backaction on conventional interferometers ($δϕ\sim 1/\sqrt{N}$) have spurred the development of schemes to circumvent these limits through quantum interference, multiparticle interactions and entanglement. A prominent example of such schemes, the so-called $SU(1,1)$ interferometer, has been shown to be particularly robust against particle loss and inefficient detection, and has been demonstrated with photons and ultracold atoms. Here, we realize a $SU(1,1)$ interferometer in a fundamentally new platform in which the interfering arms are distinct flexural modes of a millimeter-scale mechanical resonator. We realize up to 15.4(3) dB of noise squeezing and demonstrate the Heisenberg scaling of interferometric sensitivity ($δϕ\sim 1/N$), corresponding to a 6-fold improvement in measurement precision over a conventional interferometer. Our work extends the optomechanical toolbox for the quantum manipulation of macroscopic mechanical motion and presents new avenues for studies of optomechanical sensing and the nonequilibrium dynamics of multimode optomechanical systems.

研究の動機と目的

• 巨視的機械系において、標準量子限界を超える量子強化干渉計を実現すること。
• パラメトリカルに結合された曲げモードを用いて、機械的プラットフォーム上でのSU(1,1)干渉計を実現すること。
• フォノン系においてノイズ圧縮を伴うハイゼンベルクスケーリングの位相感度（δφ ∝ 1/N）を実証すること。
• 機械的文脈において、粒子損失や非効率的検出に対するSU(1,1)干渉計の頑健性を検証すること。
• 非線形フォノン干渉計が、オプトメカニカルセンシングおよび非平衡多体ダイナミクスに応用可能かどうかを検討すること。

提案手法

• 干渉計はシリコンナ nitride膜の2つの異なる曲げモードを2つのアームとして用い、パラメトリック増幅によりそれらの間で強い量子相関を生成する。
• 非縮退パラメトリック増幅器（SU(1,1)構成）が、従来のビームスプリッタの代わりに用いられ、量子干渉とノイズ低減を可能にする。
• エンタングルド二モード状態を生成するため、パルス型パラメトリック増幅相互作用（tPA）を駆動し、その後にモード混合のためのコherentビームスプリッタパルス（tBS）を適用する。
• 出力の位 quadrature に対する弱いホモダイン検出により位相感度を測定し、ノイズスペクトルを解析して圧縮量と感度向上を抽出する。
• 理論的モデリングでは、有限測定時間、基板温度の影響、不一致した減衰率を考慮し、切断スペクトル積分と有効ノイズ分散の式を用いる。
• パラメトリック増幅器の持続時間は、tPA = log[kμ]/(γ(1+μ)) として最適化され、利得とポンプ枯渇のバランスを保ちながらハイゼンベルクスケーリングを維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SU(1,1)干渉計は、フォノンを用いる巨視的機械系でハイゼンベルク制限の感度を達成できるか？
• RQ2 非線形フォノン干渉計において、ノイズ圧縮はフォノン数にどのように依存するか？
• RQ3 機械的プラットフォームにおいて、粒子損失や非効率的検出に対する干渉計感度はどの程度頑健か？
• RQ4 有限測定時間および基板温度の揺らぎは、観測された圧縮量と位相感度にどのような影響を及えるか？
• RQ5 モード周波数および減衰率の不一致は、一時的圧縮および最適ビームスプリッタ角度にどのような影響を及えるか？

主な発見

• 実験では、振幅差位相のノイズ圧縮が最大15.4(3) dBに達し、機械的モード間の強い量子相関を実証した。
• 従来の干渉計と比較して6倍の位相感度向上が観測され、N ≈ 10^4フォノンの条件下でハイゼンベルクスケーリング（δφ ∝ 1/N）が確認された。
• 最小検出可能な運動Δφは、平均フォノン数Nsに反比例して変化し、ハイゼンベルク制限スケーリングと整合的であった。
• パラメトリック増幅器によって生成された非古典的相関のおかげで、測定非効率性や粒子損失に対してもシステムは頑健であった。
• 有限測定時間の影響は、臨界点（μ ≈ 1）付近で顕著であり、長時間の熱化に起因するため、測定された圧縮量は定常状態予測からずれた。
• 基板温度の影響は、信号およびイジールモードを人工的に加熱することで軽減された。基板温度が低い場合、振幅和圧縮は3 dBの限界を超えて、μ ≫ 1の極限で1/(2(μ−1))に達した。