[論文レビュー] Quantum effects in optomechanical systems

Claudiu Genes, Andrea Mari+2 more|ArXiv.org|Jan 19, 2009

Mechanical and Optical Resonators参考文献 2被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、光キャビティへの放射圧結合を用いたオプトメカニカル系において、量子基底状態冷却およびもつれ生成を調査する。バックアクション冷却が行われない状況下でも、機械的共振子とキャビティ出力場の間で頑健な三粒子もつれが生成可能であることが示され、このもつれが原子系に転送可能であることが明らかになった。これにより、連続変数量子ネットワークおよび量子メモリへの応用が可能となる。

ABSTRACT

The search for experimental demonstrations of the quantum behavior of macroscopic mechanical resonators is a fastly growing field of investigation and recent results suggest that the generation of quantum states of resonators with a mass at the microgram scale is within reach. In this chapter we give an overview of two important topics within this research field: cooling to the motional ground state, and the generation of entanglement involving mechanical, optical and atomic degrees of freedom. We focus on optomechanical systems where the resonator is coupled to one or more driven cavity modes by the radiation pressure interaction. We show that robust stationary entanglement between the mechanical resonator and the output fields of the cavity can be generated, and that this entanglement can be transferred to atomic ensembles placed within the cavity. These results show that optomechanical devices are interesting candidates for the realization of quantum memories and interfaces for continuous variable quantum communication networks.

研究の動機と目的

• 微小およびナノスケールの機械的共振子が、光キャビティへの放射圧結合を用いてその量子運動基底状態に冷却可能かどうかを分析すること。
• オプトメカニカル系における機械的、光学的、原子的自由度の間で頑健な定常もつれが生成可能かどうかを調査すること。
• 熱雑音や異なるキャビティ動作領域においてももつれが持続する条件を特定すること。
• オプトメカニカルデバイスが連続変数量子通信ネットワーク用の量子メモリおよびインターフェースとして利用可能かどうかを検討すること。
• 異なるキャビティ品質因子において、フィードバック冷却とバックアクション冷却の両者が基底状態冷却を達成する効果性を比較すること。

提案手法

• 放射圧結合を有するオプトメカニカル系のダイナミクスを記述するため、量子ランジュバン方程式の形式を用いる。
• 系の定常状態におけるもつれを定量化するために、共分散行列および対数もつれの形式を適用する。
• 二つの冷却メカニズム（バックアクション冷却（非共鳴キャビティ動作による自己冷却）と冷縮ダムフィードバック（リアルタイムの位置測定と補正））を分析する。
• 単一および二重駆動モードキャビティ構成を検討し、キャビティモード、出力場、サイドバンド間のもつれを調査する。
• 赤および青にシフトさせたレーザーを用いた二色駆動における、系の安定性条件を導出する。
• キャビティ出力のストークスサイドバンドと共鳴するように原子を調整することで、オプトメカニカルもつれを原子系に転送するための手法を提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 微小およびナノスケールの機械的共振子は、光キャビティへの放射圧結合を用いて、その量子基底状態に冷却可能か？
• RQ2 機械的共振子とキャビティ出力場の間で頑健なもつれを生成するための最適なパrameter領域は何か？
• RQ3 異なるキャビティ品質因子において、フィードバック冷却とバックアクション冷却の性能はどのように比較されるか？
• RQ4 冷却が行われない状況、特に青にシフトさせた領域においてももつれが生成され、維持可能か？
• RQ5 オプトメカニカルもつれは、量子インターフェース用途に適した程度まで原子系に効率的に転送可能か？

主な発見

• バックアクション冷却は、良いキャビティ領域（κ < ωₘ）で最適であるが、冷縮ダムフィードバックは、悪いキャビティ領域（κ > ωₘ）でより効果的である。
• 機械的共振子と最初のストークスおよびアンチストークスサイドバンドの出力モードとの間で、頑健な三粒子もつれが達成され、ストークスモードではもつれ精錬によりもつれが強化されている。
• 対数もつれは、冷却が最小限に抑えられる系の安定性閾値近くで最大値を示し、もつれと冷却が独立した現象であり、それぞれ異なるパrameter領域で最適化されることを示している。
• ストークスおよびアンチストークスサイドバンドモード間のもつれは、帯域幅が狭い場合に、特にパラメトリック発振子と同等のレベルに達することがある。
• 等しいオプトメカニカル結合と逆の周波数シフト（赤および青）を有する二色駆動の場合、高イントラキャビティパワー下でも系は安定し、もつれは強化され、温度変動に対してもより頑健になる。
• キャビティ内に原子系を配置し、ストークスサイドバンドと共鳴させるように調整すると、オプトメカニカルもつれが効率的に転送され、連続変数量子インターフェースに適した強い結合三粒子系が形成される。