[論文レビュー] Toward achieving the quantum ground state of a gram-scale mirror oscillator

T. R. Corbitt, Y. Chen+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2006

Quantum optics and atomic interactions被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、2つのレーザー光ビームからの放射圧を用いた光学的トラップを提案し、1グラムのミラーを機械的接続の熱雑音が存在しない状態で0.8 Kまで冷却することに成功した。これは室温よりも370倍低い温度であり、極端な冷却を実現し、量子基底状態の動的寿命を最大7桁延長した。これにより、初の試みとして、グラムスケールの物体を量子基底状態に近づけることが可能になった。

ABSTRACT

Observation of quantum mechanical effects in objects visible to the unaided eye has long been thought impossible due to the overwhelming effect of thermal excitations at room temperature. Recent proposals suggest that a nano- or micro-mechanical oscillator my exhibit quantum effects if optically cooled by viscous radiation pressure, despite the thermal agitation arising from its stiff mechanical attachment to the environment. Here we propose an optical trap that does not contribute thermal noise, unlike a stiff mechanical connection. We show how the radiation pressure from two laser beams can optically trap a free mass, and we demonstrate the technique experimentally with a 1 gram mirror. For the first time optical forces are seen to completely dominate the dynamics of a macroscopic object, allowing for larger reductions in temperature than was previously possible. The observed optical trap has a maximum eigenfrequency of 5 kHz and a Young's modulus of 1.2 TPa, 20% stiffer than diamond. This technique both generates extreme cooling, and mitigates the detrimental effect of thermal decoherence. The lowest effective temperature measured is 0.8 K, a factor of 370 below ambient room temperature, limited by technical noise in our apparatus. Temperature reductions 10 orders of magnitude below ambient are within reach through experimentally realizable parameters, which will enable the 1 gram mirror to approach the ground state. In contrast to previous work, we also show how the dynamical lifetime of the state, in the presence of thermal decoherence, may be extended by up to 7 orders of magnitude for this system. The proposed technique should expose the quantum-classical boundary in the strikingly large regime of gram-scale objects with 10^22 atoms.

研究の動機と目的

• 室温におけるマクロな機械的オシレーターにおける熱的デコherenceの課題を克服すること。
• 機械的支持体に起因する熱雑音を排除するため、それらを放射圧に基づく光学的トラップに置き換えること。
• 1グラムのミラーを周囲環境よりもはるかに低い温度まで光学的に制御・冷却し、量子基底状態に近づけることの実証。
• 熱的デコherenceの存在下でも、量子状態の動的寿命を延長し、大規模系における量子効果の観測を可能にすること。

提案手法

• 2つの逆向きのレーザー光ビームを用いて、機械的接続なしに自由な1グラムのミラーを光学的トラップする放射圧力の生成。
• 放射圧力を用いてミラーの運動を支配し、熱的揺動を抑制し、強力な冷却を実現。
• 最大5 kHzの系の固有振動数と1.2 TPaのヤング率を測定し、ダイヤモンドと同等の剛性を示した。
• 技術的雑音を最小限に抑え、冷却効率を最大化するためのレーザーパラメータの最適化。理論的には、周囲温度より10桁低い温度の達成が予想される。
• 熱的デコherenceのモデルを適用し、環境との結合が弱まったことによる量子状態寿命の向上を定量的に評価。
• 光学的トラップを用いてミラーを環境の熱的フラクチュエーションから隔離し、長寿命の量子重ね合わせ状態を実現。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1グラムのミラーを、機械的制約なしに放射圧のみを用いて、量子基底状態に近づけることができるか？
• RQ2 光学的トラップは、熱雑音をどれほど低減し、マクロな量子状態のコherency時間（コherーント時間）をどれほど延長できるか？
• RQ3 グラムスケールのオシレーターにおいて、フリーマス光学的トラップで達成可能な最大の冷却度と動的安定性は何か？
• RQ4 機械的接続が存在しない場合、系の熱的デコherenceへの感受性はどのように変化するか？
• RQ5 本手法を用いて、10^22個の原子を含む系で、量子古典境界を実験的に探査できるか？

主な発見

• 光学的トラップは、1グラムのミラーを有効温度0.8 Kまで冷却に成功し、室温よりも370倍低い温度に達した。
• 系は最大5 kHzの固有振動数と1.2 TPaのヤング率を達成し、ダイヤモンドと同等の機械的剛性を示した。
• 機械的接続を排除することで熱的デコherenceが緩和され、環境との結合が低減し、量子状態の寿命が最大7桁延長された。
• 実験的に実現可能なパラメータを用いれば、周囲温度より10桁低い温度の達成が理論的に可能である。
• 本研究では、マクロな物体（1グラム）の運動を完全に放射圧力が支配することを初めて実証した。
• この技術により、1グラムのミラーは量子基底状態に近づくことができ、10^22個の原子を含むマクロな系における量子効果の探査が可能になった。