[論文レビュー] Phase-noise induced limitations in resolved-sideband cavity cooling of mechanical resonators

Peter Rabl, Claudiu Genes+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2009

Mechanical and Optical Resonators被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、レーザー位相ノイズが光力学的系における冷却およびコherent 動的特性に与える制限を調査し、位相ノイズに起因する強度揺らぎが加熱を支配しており、キャビティ強度に比例する線形な最終占有数の上限を設定することを示している。このため、地上状態冷却やコherent 操作は現実的な条件下でも実験的に実現可能である。

ABSTRACT

We present a detailed theoretical discussion of the effects of ubiquitous laser noise on cooling and the coherent dynamics in opto-mechanical systems. Phase fluctuations of the driving laser induce modulations of the linearized opto-mechanical coupling as well as a fluctuating force on the mirror due to variations of the mean cavity intensity. We first evaluate the influence of both effects on cavity cooling and find that for a small laser linewidth the dominant heating mechanism arises from intensity fluctuations. The resulting limit on the final occupation number scales linearly with the cavity intensity both under weak and strong coupling conditions. For the strong coupling regime, we also determine the effect of phase noise on the coherent transfer of single excitations between the cavity and the mechanical resonator and obtain a similar conclusion. Our results show that conditions for optical ground state cooling and coherent operations are experimentally feasible and thus laser phase noise does pose a challenge but not a stringent limitation for opto-mechanical systems.

研究の動機と目的

• レーザー位相ノイズが光力学的系における解像サイドバンドキャビティ冷却に与える影響を分析すること。
• 位相ノイズが光力学的結合に与える影響と、強度変動に起因するミラーの揺らぐ力に分けて影響を区別すること。
• 弱い結合および強い結合の領域における主な加熱機構を特定すること。
• 位相ノイズがキャビティモードと力学的モード間の単一励起状態の転送の忠実度に与える影響を評価すること。
• レーザー雑音が存在する中でも、実験的地上状態冷却およびコherent 操作が実現可能かどうかを評価すること。

提案手法

• レーザーからの位相および強度揺らぎを含む線形化された運動方程式を用いて、光力学的系をモデル化すること。
• 位相ノイズ下での有効ハミルトニアンを導出し、それが結合定数およびミラーの揺らぐ力に与える影響を分析すること。
• マスター方程式の手法を用いて、位相ノイズ下での冷却速度および最終占有数を評価すること。
• 強い結合領域を分析し、キャビティモードと力学的モード間のコherent 状態転送の忠実度を評価すること。
• 位相ノイズに起因する結合定数の変調と、強度に起因する力の揺らぎの寄与を比較すること。
• 摂動解析を用いて、特にレーザー線幅が小さい場合に強度揺らぎが加熱を支配することを示すこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キャビティ冷却における加熱を支配するのは、光力学的結合の変調か、強度変動に起因するミラーの揺らぐ力のどちらか？
• RQ2 位相ノイズ下で、機械的共振子の最終占有数はキャビティ強度に対してどのようにスケーリングするか？
• RQ3 強い結合領域における位相ノイズが、単一励起状態の転送に与える影響は何か？
• RQ4 レーザー位相ノイズが存在する中でも、光学的地上状態冷却が達成可能か？
• RQ5 位相ノイズは、光力学的系におけるコherent 操作の実装を厳しく制限する要因となるか？

主な発見

• レーザー線幅が小さい場合、キャビティ冷却における主な加熱機構は、位相ノイズに起因する強度揺らぎである。
• 弱い結合および強い結合の両領域において、最終占有数はキャビティ強度に比例してスケーリングする。
• 位相ノイズに起因する結合定数の変調は、強度揺らぎに比べて加熱に与える影響が小さい。
• 通常の実験的条件下では、強度変動に起因するミラーの揺らぐ力が主な加熱源である。
• 位相ノイズが存在するにもかかわらず、光学的地上状態冷却およびコherent 操作の実現条件は実験的に達成可能である。
• 結果から、レーザー位相ノイズは課題ではあるが、光力学的冷却および量子制御において根本的な制限とはならないことが示された。