[論文レビュー] Suppressing Recoil Heating in Levitated Optomechanics Using Squeezed Light

Carlos Gonzalez-Ballestero, Joanna A. Zielińska+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2022

Mechanical and Optical Resonators被引用数 1

ひとこと要約

本論文では、ナノ粒子を照射するのに圧縮光を使用することで、浮上光学力学におけるレーザー反動加熱を抑える手法を提案している。圧縮光により、散乱光子が粒子の運動に関する情報を減らすことで、反動加熱を低減する。入射光の量子状態を設計することで、モードマッチングされた圧縮光を用いることで、反動加熱を最大98％まで低減でき、量子コherence時間の延長と、標準量子制限を超えたフィードバック冷却を実現する。

ABSTRACT

We theoretically show that laser recoil heating in free-space levitated optomechanics can be arbitrarily suppressed by shining squeezed light onto an optically trapped nanoparticle. The presence of squeezing modifies the quantum electrodynamical light-matter interaction in a way that enables us to control the amount of information that the scattered light carries about a given mechanical degree of freedom. Moreover, we analyze the trade-off between measurement imprecision and back-action noise and show that optical detection beyond the standard quantum limit can be achieved. We predict that, with state-of-the-art squeezed light sources, laser recoil heating can be reduced by at least 60% by squeezing a single Gaussian mode with an appropriate incidence direction, and by 98% by squeezing a properly mode-matched mode. Our results, which are valid both for motional and librational degrees of freedom, will lead to improved feedback cooling schemes as well as boost the coherence time of optically levitated nanoparticles in the quantum regime.

研究の動機と目的

• 光学的浮上ナノ粒子における量子コherenceの根本的限界であるレーザー反動加熱に対処すること。
• 圧縮光が光-物質相互作用における情報フローを制御することで、測定の反作用を低減できるかどうかを検討すること。
• キャビティフリーで自由空間の光学力学系において、標準量子制限を超えたフィードバック冷却を可能にすること。
• キャビティベースの非古典的光技術を自由空間の浮上光学力学に拡張すること。
• 中心座標運動およびライブラーション（振動）自由度の両方における反動加熱の抑制を実証すること。

提案手法

• 集団的電磁モードの基底を用いて、圧縮真空中での光-物質ハミルトニアンの理論的導出。
• 圧縮によって生じる散乱パターンの変更（情報放射パターン）をモデル化し、散乱光子の角度的および偏光的依存性の変化を分析。
• 光検出の入出力関係を導出し、非古典的照射下での最小検出可能な機械的信号を計算。
• 圧縮パrameterの関数として、測定不確かさと反作用ノイズのトレードオフを分析。
• 非球形ナノ粒子のライブラーション（回転）自由度への形式の拡張。
• 反動加熱抑制を最大化する最適な入射方向を有するガウスモード圧縮光の使用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 圧縮光は、散乱光子がナノ粒子の機械的運動に関する情報をどれほど減らせるか？
• RQ2 非古典的光を用いることで、自由空間の浮上光学力学におけるレーザー反動加熱はどの程度抑制できるか？
• RQ3 圧縮光により、キャビティのない光学力学系でも標準量子制限を超えた光学的検出が可能になるか？
• RQ4 浮上系において、圧縮光を用いることで、標準量子制限を超えたフィードバック冷却が向上するか？
• RQ5 モードマッチングおよび入射角は、反動加熱抑制の度合いにどのように影響するか？

主な発見

• 最適な入射方向で単一のガウスモードを圧縮した場合、圧縮光により反動加熱が少なくとも60％低減される。
• 適切なモードマッチングを施すことで、最先端の圧縮光源を用いて反動加熱を最大98％まで抑制できる。
• 抑制効果は、圧縮による量子電磁力学的変化に起因し、機械的自由度に関する散乱光子の情報量の減少に起因する。
• 光学的検出感度は標準量子制限を超えることができ、フィードバック冷却の強化およびより低い到達温度を実現可能となる。
• 結果は、光学的トラップされたナノ粒子の中心座標運動およびライブラーション（回転）自由度の両方に対して有効である。
• 本手法により、量子コherence時間の延長が可能となり、自由空間の浮上系における基底状態冷却およびマクロな量子実験への道筋が開かれる。