[論文レビュー] Observation of a room-temperature oscillator's motion dominated by quantum fluctuations over a broad audio-frequency band

J. Cripe, N. Aggarwal+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2018

Gyrotron and Vacuum Electronics Research被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ファブリペロー共振器内に高反射率の単結晶マイクロレゾネータを用いて、室温下のオプトメカニカルオシレータの運動を10–50 kHzの音響周波数帯域で広帯域の量子放射圧ノイズ（QRPN）が支配することを示した。観測されたQRPNは光パワーの平方根に比例し、熱的ノイズを上回ることから、重力波検出器における量子ノイズ低減技術（例：スクリッチド光や可変的出力）の実験的検証に適したベンチマークが構築された。

ABSTRACT

We report on the broadband measurement of quantum radiation pressure noise (QRPN) in an optomechanical cavity at room temperature over a broad range of frequencies relevant to gravitational-wave detectors. We show that QRPN drives the motion of a high-reflectivity single-crystal microresonator, which serves as one mirror of a Fabry-Perot cavity. In our measurements QRPN dominates over all other noise between 10 kHz and 50 kHz and scales as expected with the circulating power inside the cavity. The thermal noise of the microresonator, the largest noise source next to the QRPN, is measured and shown to agree with a structural damping model from 200 Hz to 30 kHz. By observing the effects of QRPN in the audio-band, we now have a testbed for studying techniques to mitigate back-action, such as variational readout and squeezed light injection, that could be used to improve the sensitivity of gravitational-wave detectors.

研究の動機と目的

• 室温下で広帯域の音響周波数帯域において、巨視的機械的オシレータにおける量子放射圧ノイズ（QRPN）を観測すること。
• 10–50 kHzの周波数範囲でQRPNが熱的および古典的ノイズ源を上回ることを実証し、重力波検出器における根本的限界としての役割を確認すること。
• 可変的出力やスクリッチド光注入などの量子ノイズ低減戦略の実験的検証に適した、室温下のベンチマークを確立すること。
• QRPNの光パワー依存性を測定・モデル化し、共振せず広帯域な状態で量子理論と整合することを確認すること。
• レーザー加熱や環境的揺らぎなどの古典的ノイズ源が、観測されたノイズの原因でないことを排除し、信号の量子的起源を特定すること。

提案手法

• 単結晶GaAs/AlGaAsマイクロレゾネータを1枚の鏡として用い、地震的および熱的結合を最小限に抑えるために懸架したファブリペロー型オプトメカニカル共振器を構築した。
• 1064 nmのレーザー光を共振器に注入し、入力パワーを一定に保つために二重の振幅および位相変調サーボを用いて安定化した。
• マイクロレゾネータの運動は、反射ビームをフォトディテクタ（PD_M）で検出し、その信号をスペクトルアナライザーに送ってノイズ解析を行った。
• 2–90 kHzの範囲で変位ノイズスパクトラムを測定し、ショットノイズ、熱的ノイズ、QRPNの寄与をモデル化し、実測データと比較した。
• フォトディテクタの電圧を物理的変位に変換するための伝達関数キャリブレーションを実施し、繰り返し測定による測定不確実性を評価した。
• 熱的ノイズは構造的減衰モデルでモデル化され、高パワー下での低周波数熱的ノイズの変化が最小限に抑えられることから、レーザー加熱の影響は除外された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 巨視的機械的オシレータにおいて、室温下で広帯域の音響周波数帯域にわたって量子放射圧ノイズを観測できるか？
• RQ2 測定されたQRPNは、量子理論の予測どおりに光パワーの平方根に比例するか？
• RQ3 10 kHzから50 kHzの間でQRPNが熱的ノイズおよび古典的ノイズ寄与を上回り、支配的ノイズ源となっているか？
• RQ4 レーザー加熱や環境的振動などの古典的ノイズ源が、観測されたノイズの原因でないことを排除できるか？
• RQ5 この系は、重力波検出器に関連する量子ノイズ低減技術の実験的検証に適したベンチマークとして有効か？

主な発見

• 量子放射圧ノイズ（QRPN）が10 kHzから50 kHzの周波数帯域でマイクロレゾネータの運動を支配しており、この周波数帯域では他のすべてのノイズ源を上回っている。
• 測定されたQRPNは光パワーの平方根に比例し、量子ノイズの理論的予測と整合している。
• 熱的ノイズは2番目に大きなノイズ源であり、200 Hzから30 kHzの範囲で構造的減衰モデルにより良好に記述されている。
• 20 kHzでの観測ノイズは低パワーと高パワーの間で2倍に増加したが、これはレーザー加熱によるものではなく、低周波数熱的ノイズの増加はわずか2％にとどまり、測定不確実性の範囲内であった。
• 4つの変位ノイズ測定すべてがQRPNを含まないモデルを除外し、統計的に有意なレベルでQRPNの存在を確認した。
• この系は室温下で標準量子限界（SQL）の5倍以内の変位ノイズレベルを達成しており、冷却によってSQL未満の動作が可能になる道筋が示された。