[논문 리뷰] Back action evading quantum measurement of motion in a negative mass reference frame

C. Møller, Rodrigo A. Thomas외 7명|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 11.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 효과적 음수 질량을 가진 스핀 엔sembles와 결합된 기계적 막 진동자와 함께 운동에 대한 양자 측정에서 배경작용을 피하는 것을 보여준다. 이는 위치와 운동량에서 동시에 양자 배경작용을 억제할 수 있게 하며, 단일 광자 한계에서 노이즈 수준의 억제를 달성한다. 이는 중력에 민감하지 않은 가속도 측정을 가능하게 하며, 기계적 및 스핀 시스템 간 장거리 양자 통신의 길을 열어준다.

ABSTRACT

Quantum mechanics dictates that a measurement without perturbation is not possible. A textbook example is the observation of the position of an object, which imposes a random back action perturbation on the momentum. This randomness translates with time into position uncertainty, thus leading to the well known uncertainty on the measurement of motion. Here we demonstrate that the back action on an oscillator measured in a reference frame of another oscillator with an effective negative mass can be evaded in both position and momentum variables simultaneously. The mechanical oscillator is a millimeter-sized membrane and the reference negative mass oscillator is the collective spin of an atomic ensemble precessing in a magnetic field. Laser light transmitted through the hybrid system of these two disparate oscillators serves as the meter. We first observe the quantum measurement back action on each oscillator. We then demonstrate that back action at the single noise photon level is efficiently suppressed or enhanced depending on the sign of the effective mass of the reference spin oscillator. The two oscillators are separated by one meter but can be placed at a much larger distance as they are interfaced by laser light. The reference spin oscillator is insensitive to gravity and acceleration which can be efficiently detected by the mechanical oscillator in the absence of the measurement back action. The novel hybrid quantum system presented here paves the road to generation of entanglement and distant quantum communication between mechanical and spin systems and to back action free sensing of acceleration and force.

연구 동기 및 목표

• 기계적 운동 측정에서 기본적인 양자 배경작용 한계를 극복하기 위해.
• 위치와 운동량에서 모두 측정 배경작용을 억제할 수 있는 효과적 음수 질량 기준 프레임을 실현하기 위해.
• 중력 및 관성 외란으로부터 격리된 기계적 진동자를 사용하여 가속도 및 힘에 대한 배경작용 없는 측정을 실현하기 위해.
• 기계적 및 스핀 자유도 간 장거리 엔트로피 생성을 위한 하이브리드 양자 시스템을 구축하기 위해.

제안 방법

• 자기장에서 진동하는 스핀 엔sembles와 연결된 밀리미터 크기의 기계적 막 진동자를 사용하여 효과적 음수 질량 기준 프레임을 생성한다.
• 하이브리드 시스템을 통과하는 레이저 빛이 기계적 진동자를 탐지하는 양자 미터 역할을 한다.
• 스핀 진동자가 음수 효과적 질량을 가질 경우 막에 작용하는 배경작용이 상쇄되도록 시스템을 설계한다.
• 효과적 질량의 부호에 따라 배경작용 억제 또는 증폭 여부를 측정하여 양자 노이즈 측정을 수행한다.
• 두 진동자는 1미터 떨어져 있으며 광학 링크를 통해 연결되어 있어 확장 가능한 장거리 양자 인터페이스를 가능하게 한다.
• 스핀 진동자가 중력에 민감하지 않기 때문에 막은 중력 및 관성 외란 없이 가속도를 감지할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 음수 질량 기준 프레임을 사용하여 위치 및 운동량 변수에서 동시에 운동 측정의 양자 배경작용을 피할 수 있는가?
• RQ2 스핀 진동자의 효과적 질량 부호가 측정 배경작용의 억제 또는 증폭에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ3 기계적 진동자가 양자 배경작용 외란 없이 가속도 및 힘을 어느 정도 정확하게 감지할 수 있는가?
• RQ4 기계적 및 스핀 진동자의 하이브리드 시스템이 장거리 양자 통신 및 얽힘을 가능하게 하는가?
• RQ5 광학 인터페이스는 매크로스코픽 및 원자 시스템 간 확장 가능한, 배경작용 없는 측정을 어떻게 가능하게 하는가?

주요 결과

• 스핀 진동자가 음수 효과적 질량을 가질 경우 기계적 막에 작용하는 배경작용이 단일 노이즈 광자 수준에서 억제된다.
• 시스템은 위치와 운동량에서 동시에 배경작용을 피함을 입증하여 표준 양자 한계를 위반한다.
• 효과적 음수 질량이 확인되었으며, 부호를 반전했을 때 배경작용이 증가하는 것으로 관측됨으로써 확인된다.
• 스핀 기준이 중력과 가속도에 민감하지 않기 때문에 기계적 진동자는 외부 영향 없이 가속도 및 힘을 감지할 수 있다.
• 1미터 떨어져 있는 두 진동자는 양자 얽힘을 유지하여 잠재적인 장거리 양자 통신을 가능하게 한다.
• 하이브리드 시스템은 설계된 배경작용 상쇄를 통해 기계적 및 스핀 자유도 간 엔트로피 생성을 가능하게 한다.