[論文レビュー] Observation of Quantum Motion in a Nanogram-scale Object

Dong‐Hun Lee, Mitchell Underwood+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2014

Mechanical and Optical Resonators被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、光学キャビティ内で異位相検出を用いて赤側帯と青側帯を測定することにより、ナノグラムスケールの機械的オシレーター（43 ng、705 kHz）における量子運動を実証した。オシレーターの平均フォノン数は 0.84 ± 0.22 であり、これは 28 ± 7 μK の温度に対応し、近似的に基底状態に冷却されていることと、場とオシレーターの揺らぎを含む量子理論と整合していることを確認した。

ABSTRACT

We describe measurements of the motional sidebands produced by a mechanical oscillator (with effective mass 43 ng and resonant frequency 705 kHz) that is placed in an optical cavity and cooled close to its quantum ground state. The red and blue sidebands (corresponding to Stokes and anti-Stokes scattering) from a single laser beam are recorded simultaneously via a heterodyne measurement. The oscillator's mean phonon number n is inferred from the ratio of the sidebands, and reaches a minimum value of 0.84 +- 0.22 (corresponding to a mode temperature T = 28 +- 7 microK). We also infer n from the calibrated area of each of the two sidebands, and from the oscillator's total damping. The values of n inferred from these four methods are in close agreement. The behavior of the sidebands as a function of the oscillator's temperature agrees well with theory that includes the quantum fluctuations of both the cavity field and the mechanical oscillator.

研究の動機と目的

• ナノグラムスケールの質量を持つマクロな機械的オシレーターにおいて、量子運動を観測すること。
• 光学キャビティ結合を用いて、オシレーターをその量子基底状態に近づけて冷却すること。
• 単一のレーザービームからのモーショナル側帯を測定・解析し、オシレーターの量子状態を推定すること。
• 機械的オシレーターとキャビティ場の両方の量子揺らぎを含む理論モデルを検証すること。

提案手法

• ナノグラムスケールの機械的オシレーターを光学キャビティに結合し、その量子基底状態に近づけて冷却する。
• 単一のレーザービームを用いて、同時に赤側帯（ストークス）と青側帯（アンチストークス）を励起する。
• 異位相検出を用いて側帯を記録し、それらの相対的な振幅と面積を抽出する。
• 平均フォノン数 n は、側帯強度比、キャリブレーションされた面積、および全減衰率から推定する。
• 理論的モデリングでは、機械的オシレーターとキャビティ場の両方の量子揺らぎを考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 43 ng の質量を有する機械的オシレーターにおいて、量子運動を観測できるか？
• RQ2 オシレーターはどの程度までその量子基底状態に冷却できるか？
• RQ3 測定された側帯強度は、オシレーターとキャビティ場の両方の揺らぎを含む量子理論と整合するか？
• RQ4 平均フォノン数を推定するための複数の独立した手法は、互いに一貫性を持っているか？

主な発見

• オシレーターの平均フォノン数は 0.84 ± 0.22 に達し、近似的に基底状態に冷却されていることを示している。
• それに応じるモード温度は 28 ± 7 μK と測定され、量子基底状態の条件と整合している。
• 側帯強度比、キャリブレーションされた面積、および減衰率のすべてが、平均フォノン数の一致する値をもたらした。
• 観測された側帯挙動は、機械的オシレーターとキャビティ場の両方の揺らぎを含む量子理論とよく一致している。