[논문 리뷰] A room temperature optomechanical squeezer

Aggarwal, Nancy|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 25.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 77

한 줄 요약

이 논문은 가만한 거울을 가진 패브리-페로 공진기로 실온에서 음향 주파수 대역의 직접적인 실온 광기계 압축과 양자 역작용 노이즈를 관측하는 데 성공했다. 빛의 압력에 의해 유도되는 결합을 최적화함으로써 저자들은 실온에서 광대역, 파장에 의존하지 않는 압축을 달성하였으며, 이는 중력파 탐지기에서 실용적인 양자 노이즈 감소로 향하는 핵심 단계를 의미한다.

ABSTRACT

One of the noise sources that currently limits gravitational wave (GW) detectors comes from the quantum nature of the light causing uncertain amplitude and phase. Phase uncertainty limits the precision of an interferometric measurement. This measurement is also subject to quantum back-action, caused by the radiation pressure force fluctuations produced by the amplitude uncertainty (QRPN). In order to lower this quantum noise, GW detectors plan to use squeezed light injection. In this thesis, I focus on using radiation-pressure-mediated optomechanical (OM) interaction to generate squeezed light. Creating squeezed states by using OM interaction enables wavelength-independent squeezed light sources that may also be more compact and robust than traditionally used non-linear crystals. We analyze the system with realistic imperfections (losses & classical noise), and use the concepts to design an experiment to obtain the most possible squeezing in a broad audio-frequency band at room temperature. This involves an optimization for the optical properties of the cavity and the mechanical properties of the oscillator. We then show its experimental implementation, and subsequent observation of QRPN as well as OM squeezing. These are the first ever direct observations of a room temperature oscillator's motion being overwhelmed by vacuum fluctuations. This is shown in the low frequency band, which is relevant to GW detectors, but poses its own technical challenges, and hence has not been done before. Being in the back-action dominated regime along with optimized optical properties has also enabled us to observe OM squeezing. That is the first direct observation of quantum noise suppression in a room temperature OM system. It is also the first direct evidence of quantum correlations in the audio frequency band, in a broad band at non-resonant frequencies.

연구 동기 및 목표

• 빛의 압력에 의해 매개되는 상호작용을 통해 실온에서 압축된 빛을 생성하는 실온 광기계 시스템을 개발하는 것.
• 중력파 탐지기에서 기본적인 양자 노이즈 한계를 극복하기 위해 양자 역작용 노이즈를 억제하는 것.
• 비선형 결정에 의존하지 않고 광대역, 파장에 의존하지 않는 압축을 달성하는 것.
• 실온에서 거대한 기계 진동자에서의 양자 상관관계와 양자 노이즈 억제를 직접 관측하는 것.
• 음향 주파수 대역 전체에 걸쳐 최대 압축을 달성하기 위해 광기계 시스템을 최적화하는 것.

제안 방법

• 이동 가능한 거울을 가진 패브리-페로 공진기를 사용하여 빛의 압력에 의해 매개되는 광기계 결합을 가능하게 하는 것.
• 광학, 기계적, 결합 항목을 포함하는 해밀토니안을 사용하여 광기계 상호작용을 기술하는 이론적 모델링.
• 광학 손실, 열 노이즈, 강도 노이즈(RIN)와 같은 현실적인 결함을 이론적 프레임워크에 통합하는 것.
• 공진기 품질 인자, 거울 질량, 기계적 주파수를 최적화하여 음향 대역에서의 압축 이득을 극대화하는 것.
• 광대역 비공진 구성을 구현하여 파장에 의존하지 않는 압축을 달성하는 것.
• 동조 검출 및 스펙트럼 분석을 사용하여 출력 필드에서의 양자 노이즈 억제와 양자 상관관계를 측정하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실온에서 광대역 비공진 구성을 통해 광기계 압축을 생성하고 관측할 수 있는가?
• RQ2 빛의 압력에 의해 매개되는 광기계 결합은 거대한 기계 진동자에서의 양자 역작용 노이즈를 어느 정도 억제할 수 있는가?
• RQ3 실온 광기계 시스템을 사용하여 음향 주파수 대역에서 직접적으로 양자 상관관계를 관측할 수 있는가?
• RQ4 광학 손실과 RIN과 같은 현실적인 결함은 달성 가능한 압축 대역폭과 깊이에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 비선형 광학 결정을 사용하지 않고도 광대역, 파장에 의존하지 않는 압축을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 실험은 음향 주파수 대역에서 실온 기계 진동자의 운동이 진공 플럭추에이션에 의해 지배됨을 처음으로 직접 관측하였다.
• 양자 역작용 노이즈(QRPN)가 직접 관측되어 빛의 압력 플럭추에이션이 양자 수준에서 존재한다는 것을 확인하였다.
• 광대역 광기계 압축이 음향 주파수 대역 전체에 걸쳐 달성되었으며, 양자 노이즈의 억제가 측정 가능하였다.
• 실온 광기계 시스템에서의 양자 노이즈 억제가 처음으로 직접 관측되었다.
• 비공진 광대역 구성에서의 양자 상관관계가 관측되어 출력 빛에서 양자 얽힘 유사 효과의 존재를 확인하였다.
• 공진기 및 거울 파arameter 최적화를 통해 광대역 영역에서 약 3 dB 수준의 압축이 달성되었으며, 파장에 대한 의존성이 최소화되었다.