[논문 리뷰] A quantum optomechanical Mach clock

G. J. Milburn, Thomas J. Milburn|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 08.

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics참고 문헌 5인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 열수역에 연결된 기계 진동자로 조절되는 두 개의 공진기 간의 비가역적 광자 이동을 이용하여, 마흐 스타일의 열적 시계로 기능하는 양자 광기계 시스템을 제안한다. 약한 연속 측정을 통해 광자 수의 차이를 측정함으로써, 방사성 탄소 연대 측정과 유사한 확률적이고 비주기적인 시계 기능을 나타내며, 단일 시스템에서 양자 변동이 고전적 열역학적 거동를 수정함을 보여준다.

ABSTRACT

We introduce a quantum thermodynamic system that can operate as a thermal clock in analogy with the thermal clock first introduced by Ernst Mach in which the temperature difference between cooling bodies in contact can be used as a kind of relational time. Our model is based on an optomechanical system in which photons are transferred irreversibly between two cavities due to the modulation of the cavity cooling rate by a mechanical system coupled to a heat bath. We contrast the ensemble average view with a single system view using the theory of continuous measurement and we show that, by making a weak continuous measurement of the energy difference between the systems, a natural Mach thermal clock arises in an appropriate semiclassical limit. We investigate how quantum fluctuations modify this result.

연구 동기 및 목표

• 광기계 시스템을 이용해 에른스트 마흐의 고전적 열시계 개념을 양자 영역으로 확장한다.
• 양자 변동이 단일 시스템 맥락에서 비주기적 시계 기능에 미치는 영향을 조사하며, 집합 평균과 대비한다.
• 에너지 차이의 약한 연속 측정이 반세계적 근사에서 마흐 시계의 자연스러운 실현을 가능하게 함을 보여준다.
• 시계 작동 중 고전적 열역학적 거동를 수정하는 양자 얽힘과 탈양자화의 역할을 탐색한다.

제안 방법

• 기계 진동자가 결합 해밀토니안을 통해 두 개의 광학 공진기 간의 광자 교환을 조절하는 광기계 시스템을 모델링한다.
• 기계 모드가 열적 평형을 유지할 수 있도록 열수역을 도입하여 비가역적 동역학을 가능하게 한다.
• 전송선로에 결합된 큐비트 프로브를 사용하여 공진기 간 광자 수의 차이를 약한 연속 측정한다.
• 스토크스 마스터 방정식과 이토 미적분을 사용하여 측정 하에서 공진기 필드의 조건부 동역학을 기술한다.
• 큐비트 자유도를 단절하여 광자 수의 디코herence 항이 포함된 효과적인 마스터 방정식을 유도한다.
• 스토크스 측정 기록을 시뮬레이션하여 신호가 다중값 확률 전기 신호 과정처럼 진화함을 보여주며, 광자 수의 점프를 반영한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비주기적이고 비가역적인 시계는 어떻게 양자 광기계 시스템에서 실현될 수 있는가?
• RQ2 약한 연속 측정은 열시계에서 단일 시스템 동역학과 집합 평균 행동을 구별하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 양자 변동은 단일 실현에서 고전적 마흐 시계 거동를 어떻게 수정하는가?
• RQ4 광기계 시스템의 동역학은 어떤 방식으로 비가역적이고 확률적인 시계 기능에서 방사성 탄소 연대 측정과 유사한가?
• RQ5 집합적 양자 얽힘 효과는 시계 작동 중 고전적 열역학적 거동에서의 이격 원인으로서 식별될 수 있는가?

주요 결과

• 광자 수의 차이에 대한 스트로크 측정 기록은 다중값 확률 전기 신호 과정처럼 진화하며, 이는 공진기 간의 비가역적 광자 이동과 관련된 점프를 반영한다.
• 집합 평균에서 신호는 평균 광자 수가 결정론적 감쇠를 따르는 고전적 뉴턴 냉각 법칙을 재현한다.
• 스토크스 셰딩어 방정식에 의해 지배되는 단일 시스템 동역학은 단일 궤적의 확률적 진화에 시간을 인코딩함으로써 마흐 시계를 실현한다.
• 양자 변동은 주로 $\Lambda = 4\kappa^2 / \gamma_q$ 비례하는 수의 디코herence 항을 통해 고전적 거동에서의 이격으로 나타난다.
• 초기 상태가 열적일 경우, 시스템의 동역학은 고전적 조건부 마스터 방정식으로 매핑될 수 있어 스트로크 과정의 효율적 시뮬레이션을 가능하게 한다.
• 측정 기록의 스트로크 성격은 방사성 탄소 붕괴와 유사하여, 비가역 열역학에 기반한 물리적으로 실현 가능한 비주기적 양자 시계를 확립한다.