[論文レビュー] Optimal quantum control of mechanical motion at room temperature: ground-state cooling

Lorenzo Magrini, Philipp Rosenzweig+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2020

Quantum Information and Cryptography被引用数 15

ひとこと要約

この論文は、量子制限された位置測定とカルマンフィルタを用いた状態推定により、室温で光学的トラップされたナノ粒子に対するリアルタイム最適量子制御を実証している。この手法により、平均占有数 $ n = 0.56 \pm 0.02 $ の基底状態冷却が達成され、熱雑音が支配する状況下でも機械的オシレーターを量子基底状態に近づけて安定化した。

ABSTRACT

The ability to accurately control the dynamics of physical systems by measurement and feedback is a pillar of modern engineering. Today, the increasing demand for applied quantum technologies requires to adapt this level of control to individual quantum systems. Achieving this in an optimal way is a challenging task that relies on both quantum-limited measurements and specifically tailored algorithms for state estimation and feedback. Successful implementations thus far include experiments on the level of optical and atomic systems. Here we demonstrate real-time optimal control of the quantum trajectory of an optically trapped nanoparticle. We combine confocal position sensing close to the Heisenberg limit with optimal state estimation via Kalman filtering to track the particle motion in phase space in real time with a position uncertainty of 1.3 times the zero point fluctuation. Optimal feedback allows us to stabilize the quantum harmonic oscillator to a mean occupation of $n=0.56\pm0.02$ quanta, realizing quantum ground state cooling from room temperature. Our work establishes quantum Kalman filtering as a method to achieve quantum control of mechanical motion, with potential implications for sensing on all scales.

研究の動機と目的

• 熱雑音が支配的である室温の機械的系に、リアルタイム最適量子制御を拡張すること。
• 測定に基づくフィードバックを用いて、機械的オシレーターの基底状態冷却を達成すること。
• 巨視的機械系において、量子制限された位置測定と最適状態推定としてのカルマンフィルタを実装すること。
• 原子および光学系で開発された量子制御技術が、中間スケールの機械的運動に適応可能であることを示すこと。

提案手法

• 焦点を合わせた位置測定を用いて、ゼロ点揺らぎの1.3倍の位置不確かさを達成し、ハイゼンベルク限界に近づいた。
• ナノ粒子の位相空間軌道のリアルタイム最適状態推定にカルマンフィルタを適用した。
• 推定状態に基づくフィードバック制御ループを実装し、機械的オシレーターを安定化させた。
• 調和振動子の平均占有数を最小化することを目的としたフィードバックアルゴリズムを採用した。
• 高精度な測定と最適推定を統合し、熱雑音を抑制して系を冷却した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子制限された測定を用いて、室温の機械的系でリアルタイム最適量子制御を達成できるか。
• RQ2 カルマンフィルタは、巨視的機械的オシレーターにおいて、フィードバック制御に適した正確な状態推定をどの程度可能にするか。
• RQ3 室温下でフィードバック制御を施した機械的系で、達成可能な最小の平均占有数は何か。
• RQ4 原子および光学系で開発された量子制御技術が、機械的運動に成功裏に適用可能か。

主な発見

• 系は平均占有数 $ n = 0.56 \pm 0.02 $ 量子を達成し、室温から基底状態冷却を実証した。
• 位置不確かさはゼロ点揺らぎの1.3倍であり、ハイゼンベルク限界に近い測定を示した。
• カルマンフィルタにより、ナノ粒子の運動の位相空間におけるリアルタイムで最適な状態推定が可能になった。
• フィードバック制御により熱運動が効果的に抑制され、オシレーターが量子基底状態に近づいて安定化した。