[論文レビュー] Observation of Optomechanical Quantum Correlations at Room Temperature

Thomas Purdy, Karen E. Grutter+2 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2016

Mechanical and Optical Resonators参考文献 34被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、室温下のナノメカニカルレゾネータにおいて、熱雑音が支配的である中で、相関関数を用いた手法により、光力学的量子相関を分離することで、量子バックアクションを実証した。熱雑音と量子相関の振幅比を測定することで、量子定数を基準とする温度を抽出可能であり、チップ内蔵型で量子補正を施した温度計の実現に成功した。

ABSTRACT

By shining laser light through a nanomechanical beam, we measure the beam's thermally driven vibrations and perturb its motion with optical forces at a level dictated by the Heisenberg measurement-disturbance uncertainty relation. Such quantum backaction is typically difficult to observe at room temperature where the motion driven by optical quantum intensity fluctuations is many orders of magnitude smaller than the thermal motion. We demonstrate a cross-correlation technique to distinguish optically driven motion from thermally driven motion, observing this quantum backaction signature up to room temperature. While it is often difficult to absolutely calibrate optical detection, we use the scale of the quantum correlations, which is determined by fundamental constants, to gauge the size of thermal motion, demonstrating a path towards absolute thermometry with quantum mechanically calibrated ticks.

研究の動機と目的

• 室温下の巨視的機械系において、通常は量子効果を上回る熱雑音が支配的であるにもかかわらず、量子バックアクションを検出すること。
• 光力学系において、大きな熱雑音および測定雑音にかき消されがちな微弱な量子相関を分離する手法を開発すること。
• 基礎定数を基準とする量子相関に基づく絶対温度計への道筋を示すこと。
• ハイゼンベルクの不確定性関係が予測する量子測定のバックアクションが、室温下のナノメカニカルレゾネータで観測可能であることを検証すること。
• 実験的標準に依存しない、量子力学に基づくキャリブレーションを持つスケーラブルでチップ内蔵型温度計を確立すること。

提案手法

• 出力光の振幅および位相正準を測定可能な光学ヘテロダイン検出を用い、完全な量子相関スペクトルにアクセス可能である。
• π/2の位相差をもつ正準間のクロス相関を用い、光力学的結合の位相依存性を活用することで、熱運動からの量子バックアクションを分離する。
• 放射圧ショットノイズ（RPSN）および熱的力のフラクチュエーションを含む、光力学的ハミルトニアン力学を用いて、相関スペクトルを導出する。
• フラクチュエーション・ディスシペーション定理を適用し、熱的力のパワーを温度に関連づけることで、相関振幅比を用いた温度計測を可能にする。
• 対称化された相関スペクトル $ S_{\frac{\theta}{4},\frac{\theta}{4}+\frac{\theta}{2}}(\nu) $ を用い、熱的および量子的寄与を抽出する。その比 $ \mathrm{Re}\{S_{\frac{\pi}{4},\frac{3\pi}{4}}\}/\mathrm{Im}\{S_{\frac{\pi}{4},\frac{3\pi}{4}}\} $ は $ \coth(\hbar\omega/2k_B T) $ に一致する。
• プランク定数およびボルツマン定数といった基礎定数を用いてキャリブレーションを実施することで、外部キャリブレーションを不要とした絶対温度測定を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 室温下のナノメカニカルレゾネータにおいて、熱雑音が支配的であるにもかかわらず、量子バックアクションを観測できるか？
• RQ2 クロス相関技術が、量子起因の機械的運動と熱的に駆動される運動を効果的に分離できるか？
• RQ3 熱的相関スペクトルと量子相関スペクトルの振幅比が、$ \coth $ 関数を介して熱力学的温度を正確に反映するか？
• RQ4 この手法が、基礎定数に基づく一次温度標準の基盤として機能できるか？
• RQ5 観測された量子相関の大きさは、ハイゼンベルクの測定干渉不確定性関係の予測と整合しているか？

主な発見

• 熱運動よりも数個のオーダー小さいが、放射圧ショットノイズに起因する光起因の機械的運動としての量子バックアクションが、室温下で観測された。
• 熱的クロス相関の実部 $ \mathrm{Re}\{S_{\frac{\pi}{4},\frac{3\pi}{4}}\} $ と量子クロス相関の虚部 $ \mathrm{Im}\{S_{0,\frac{\pi}{2}}\} $ の比が、$ \coth(\hbar\omega/2k_B T) $ の依存性をよく再現しており、量子的起源を裏付けた。
• 相関比から得られた測定温度は、独立に測定された値と実験的不確実性の範囲内で一致し、量子補正温度計測法の妥当性が検証された。
• 量子相関の振幅は、基礎定数に基づく理論的予測と整合しており、系が量子状態で動作していることを確認した。
• 本手法により、チップスケールデバイスで絶対温度測定が可能となり、キャリブレーションが実験的標準に依存せず、量子力学的原理に基づくものとなった。
• 弱いプローブパワー下でも、測定バックアクションが最小限であるが、相関スペクトル測定により依然として検出可能であり、本手法の有効性が保証された。