[論文レビュー] Quantum optomechanics of a two-dimensional atomic array

Ephraim Shahmoon, Mikhail D. Lukin+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2018

Mechanical and Optical Resonators被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ほぼ完全な反射率と超軽量な機械的質量を活かして、キャビティを必要としない強力な光機械結合を実現する新しいプラットフォームとして、二次元原子アレイを提案する。連続波レーザー照射下では、集団的な原子運動が散乱光スペクトルに複数のサイドバンドを生成し、大規模な空間的・時間的量子ノイズ圧縮を誘発する。これは、高い機械的感受性を示すキャビティフリーな非線形量子光機械学の道筋を示している。

ABSTRACT

We demonstrate that a two-dimensional (2D) atomic array can be used as a novel platform for quantum optomechanics. Such arrays feature both nearly-perfect reflectivity and ultra-light mass, leading to significantly-enhanced optomechanical phenomena. Considering the collective atom-array motion under continuous laser illumination, we study the nonlinear optical response of the array. We find that the spectrum of light scattered by the array develops multiple sidebands, corresponding to collective mechanical resonances, and exhibits nearly perfect quantum-noise squeezing. Possible extensions and applications for quantum nonlinear optomechanics are discussed.

研究の動機と目的

• トラップされた原子の2次元アレイを用いて、キャビティフリーな量子光機械学を検討すること。
• 巨視的系において最小限の機械的ゼロ点運動を伴いながらも強力な光機械結合を達成する課題に取り組むこと。
• 2次元アレイ内の集団的原子運動が、散乱光における非線形光学的応答および量子相関を引き起こすことを示すこと。
• 2次元原子アレイと、悪キャビティ・未解像サイドバンド領域における標準的キャビティ光機械学との間の対応関係を確立すること。
• 出力光に大規模な空間的・時間的圧縮を生成する可能性を調査し、少数光子量子光機械学の新規な領域を切り開くこと。

提案手法

• 固定された横方向位置と平衡点まわりの縦方向運動を有する2次元格子内の2準位原子系として、2次元原子アレイをモデル化する。
• 双極子-双極子相互作用および放射圧を介した光誘起集団的原子運動を、量子力学的取り扱いによって記述する。
• 有効な光機械結合定数を用いて、悪キャビティ・未解像サイドバンド領域における標準的キャビティ光機械モデルにこの系を写像する。
• 入出力理論を用いて散乱光スペクトルを導出し、非線形光機械的応答および集団的機械モードを考慮する。
• 出力場演算子のボゴリューボフ変換および交換関係を用いて、出力場の量子ノイズおよび相関性を分析する。
• 入力ポートからの真空ノイズをキャンセルすることで、完全な反射に依存しない状態でも最適な圧縮が達成可能であることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トラップされた原子の2次元アレイは、キャビティフリーな強力な量子光機械学のプラットフォームとして機能できるか？
• RQ2 連続波レーザー照射下での集団的原子運動が、散乱光スペクトルに非線形光学的サイドバンドをどのように生成するか？
• RQ3 このような系の散乱光における量子ノイズ圧縮の程度はどの程度で、機械的共鳴にどのように依存するか？
• RQ4 完全な反射に依存せず、バランスの取れた両側照射方式を用いることで最適な圧縮を達成できるか？
• RQ5 この系の振る舞いは、標準的キャビティ光機械学とどのように対応するか？非線形的および少数光子量子光機械学にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 2次元原子アレイは、協同的共鳴周波数においてほぼ完全な反射率を示し、透過を最小限に抑えて強力な光-物質相互作用を実現する。
• 双極子-双極子相互作用により集団的機械モードが生じ、それらの共鳴に対応する散乱光スペクトルに複数のサイドバンドが現れる。
• 出力光は大規模な空間的・時間的量子ノイズ圧縮を示し、圧縮レベルがほぼ完全な量子ノイズ抑制に近づく。
• この系は、標準的キャビティ光機械学の悪キャビティ・未解像サイドバンド領域に効果的に写像され、ベンチマークプラットフォームとしての有効性が裏付けられる。
• 完全な反射がなくても、バランスの取れた両側照射方式により、入力ポートからの真空ノイズをキャンセルすることで、同じ最適な圧縮が達成可能である。
• 機械的共鳴点近くでは断続的除去近似が形式的に破綻するが、問題領域の幅が非常に狭いため、圧縮は依然として頑健で明確に定義される。