[論文レビュー] Ponderomotive light squeezing with atomic cavity optomechanics

Daniel W. C. Brooks, Thierry Botter+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2011

Mechanical and Optical Resonators参考文献 6被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、40 pW未満のポンプパワーで26 dBの減衰と20 dBの増幅を達成し、量子揺らぎによって駆動される原子キャビティオプトメカニカル系において、サブショットノイズのポンドモティブスリッピングを実証した。実験では、量子駆動型オプトメカニカルパラメトリック増幅器を実現し、量子制限されたスリッピングを直接観測するとともに、周波数依存の利得および位相応答を同定した。

ABSTRACT

Accessing distinctly quantum aspects of the interaction between light and the position of a mechanical object has been an outstanding challenge to cavity-optomechanical systems. Only cold-atom implementations of cavity optomechanics have indicated effects of the quantum fluctuations in the optical radiation pressure force. Here we use such a system, in which quantum photon-number fluctuations significantly drive the center of mass of an atomic ensemble inside a Fabry-Perot cavity. We show that the optomechanical response both amplifies and ponderomotively squeezes the quantum light field. We also demonstrate that classical optical fluctuations can be attenuated by 26 dB or amplified by 20 dB with a weak input pump power of < 40 pW, and characterize the optomechanical amplifier's frequency-dependent gain and phase response in both the amplitude and phase-modulation quadratures.

研究の動機と目的

• 量子揺らぎによって駆動されるキャビティ・オプトメカニカル系において、熱的および技術的ノイズの制限を克服してポンドモティブスリッピングを直接観測すること。
• 超低温原子を用いたファブリペローキャビティにおいて、極めて低いポンプパワーで高利得かつ位相感受性のオプトメカニカル増幅器を実証すること。
• 標準量子限界を超える力のセンシングを可能にするために、オプトメカニカル増幅器の周波数依存利得および位相応答を同定すること。
• 運動基底状態に近い状態で準備された系を用いて、量子オプトメカニカルパラメトリック増幅の理論的枠組みを検証すること。

提案手法

• 放射圧力によって中心質量運動がキャビティ場と線形に結合する高ファインネスのファブリペローキャビティ内に配置された超低温 87 Rb 原子の雲を用い、システムをパラメトリック増幅状態に誘導した。
• 弱い光ポンプ（36 pW）を用いて、量子揺らぎを主な駆動源とするパラメトリック増幅状態を実現した。
• 線形化されたオプトメカニカルハミルトニアン $ H = \bar{h} g \bar{a}^\top \bar{a} (\bar{b} + \bar{b}^\top) $ を適用し、利得 $ G(\nu) \triangleq \frac{(i\bar{\nu} - \triangle) s_{\text{opt}}}{\omega_s^2 - \nu^2 - i\nu \Gamma_{\text{tot}}} $ を持つ位相感受性増幅器としてシステムをモデル化した。
• 局所発振器（LO）を真空状態および空キャビティにリファレンスすることで、技術的ノイズを分離し、光場の振幅および位相四分位量をホモダイン検出で測定した。
• ネットワーク解析を用いて周波数領域におけるオプトメカニカル利得および位相応答をマッピングし、増幅帯域および減衰帯域を同定した。
• 測定されたショットノイズおよび技術的ノイズ（LO-真空およびLO-空キャビティからのもの）を差し引くことで、パワー周波数スペクトル密度（PSD）におけるポンドモティブスリッピング成分を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子揺らぎによって駆動されるキャビティ・オプトメカニカル系において、古典的駆動ではなく直接ポンドモティブスリッピングを観測できるか？
• RQ2 超低温原子系において、量子駆動型オプトメカニカル増幅器の周波数依存利得および位相応答は何か？
• RQ3 量子ノイズが支配的な系において、40 pW未満のポンプパワーでのみ、古典的光揺らぎをどの程度減衰または増幅できるか？
• RQ4 技術的および熱的ノイズ源は、このような系における量子オプトメカニカル効果の観測をどの程度制限するか？
• RQ5 極めて低い加熱で、線形領域にとどまりながらサブショットノイズのスリッピングを達成できるか？

主な発見

• オプトメカニカルに変換されたノイズパワーがショットノイズレベルの 99.0 ± 0.1% にまで低下し、サブショットノイズのポンドモティブスリッピングが観測された。これは、量子制限性能を確認するものである。
• 40 pW未満のポンプパワーで、古典的光揺らぎが26 dB減衰し、20 dB増幅された。これは高利得パラメトリック応答を示している。
• 各実験の最初の5 ms間において、システムのオプトメカニカル応答は線形調和理論と整合的であり、測定された機械的共鳴周波数 $ \omega_s = 2\pi \times 140.8 $ kHz および機械的減衰 $ \Gamma_m = 2\pi \times 3.2 $ kHz が得られた。
• 技術的ノイズは最小限に抑えられており、主に75 kHz以上の周波数で位相ノイズが支配的であり、放射圧力揺らぎに1%未満の寄与しか示さなかった。
• 周波数領域におけるオプトメカニカル利得および位相応答がマッピングされ、理論的予測と整合的な明確な増幅帯域および減衰帯域が確認された。
• 時間経過に伴い利得および応答が低下する現象が観測され、これはオプトメカニカル加熱および原子雲の拡散に起因するとされた。このため、データ収集は各実験の最初の5 msに限定された。