[논문 리뷰] Brillouin optomechanics in the quantum ground state

Hugo M. Doeleman, Tom Schatteburg외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 브릴루아 광기계 시스템에서 부피 음향파(BAW) 공진기를 기저 상태에서 작동시켜 약 200 mK에서 열 진동수 밀도가 0.5 이하임을 입증한다. 균열 냉각기에서 자가 정렬 및 진동에 민감하지 않은 설계를 사용함으로써 저강도 레이저 유도 가열을 저감하고, 강한 광학 펌프 조건에서도 근본적인 진동수 밀도가 극히 낮음을 확인함으로써, 낮은 추가 노이즈를 갖는 고정밀 마이크로파-광학 변환을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Bulk acoustic wave (BAW) resonators are attractive as intermediaries in a microwave-to-optical transducer, due to their long coherence times and controllable coupling to optical photons and superconducting qubits. However, for an optomechanical transducer to operate without detrimental added noise, the mechanical modes must be in the quantum ground state. This has proven challenging in recent demonstrations of transduction based on other types of mechanical resonators, where absorption of laser light caused heating of the phonon modes. In this work, we demonstrate ground state operation of a Brillouin optomechanical system composed of a quartz BAW resonator inside an optical cavity. The system is operated at $\sim$200 mK temperatures inside a dilution refrigerator, which is made possible by designing the system so that it self-aligns during cooldown and is relatively insensitive to mechanical vibrations. We show optomechanical coupling to several phonon modes and perform sideband asymmetry thermometry to demonstrate a thermal occupation below 0.5 phonons at base temperature. This constitutes the heaviest ($\sim$494 $μ$g) mechanical object measured in the quantum ground state to date. Further measurements confirm a negligible effect of laser heating on this phonon occupation. Our results pave the way toward low-noise, high-efficiency microwave-to-optical transduction based on BAW resonators.

연구 동기 및 목표

• 기저 상태에서 부피 음향파(BAW) 공진기를 광기계 시스템에서 작동시켜, 낮은 노이즈 마이크로파-광학 양자 변환에 필수적인 조건을 확보하기 위해.
• 이전 BAW 광기계 시스템에서 레이저 유도 가열 문제를 해결하여, 저온에서 기저 상태 냉각이 불가능했던 과제를 극복하기 위해.
• BAW 공진기가 강한 광학 펌프 조건에서도 낮은 열 진동수 밀도를 유지할 수 있음을 입증함으로써 고협동도 작동을 가능하게 하기 위해.
• 기존에 기록된 바이어스된 기계적 물체 중 가장 무거운 질량(약 494 µg)을 기저 상태에서 냉각할 수 있음을 측정하기 위해.
• 측변비 비대칭 온도 측정법과 레이저 위상 노이즈 분석을 통해 시스템의 안정성과 낮은 노이즈 성능을 검증하기 위해.

제안 방법

• 전기적 압축성과 광기계성에 의해 작용하는 브릴루아 광기계 결합을 실현하기 위해, z축 방향 퀀츠 BAW 공진기를 포함한 파르비-페로트 광학 공진기 구조를 사용하였다.
• 레드(저주파수) 광학 모드에 강력한 펌프 레이저를 조사하여 해밀토니안을 선형화하고, 효과적 광기계 결합률을 gm = g0,m αcav_p로 증가시켰다.
• 측변비 비대칭 온도 측정법을 적용하여, 빨간색 및 파란색 펌프 온도 측정 신호 적분 비율을 측정함으로써 기계적 진동수 밀도를 유추하였다.
• 레이저 위상 노이즈와 효과적 대역폭을 고려한 모델을 사용하여 유추된 밀도를 校정하였으며, 역작용과 노이즈 기여 요소를 보정하였다.
• 광학 모드 강도와 기계적 응력 간의 오버랩 적분으로 유도된 변형률장의 제곱평균근(RMS) 이동을 사용하여 진동수 모드의 효과적 질량을 계산하였다.
• 냉각 중 자가 정렬 및 기계적 안정성 향상을 위한 설계를 통해 진동 유도 가열과 모드 결합을 최소화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 광학 펌프 조건에서도 브릴루아 광기계 시스템 내 BAW 공진기가 양자 기저 상태로 냉각될 수 있는가?
• RQ2 밀리켈빈 온도에서 BAW 기반 광기계 시스템의 진동수 밀도에 레이저 유도 가열이 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ3 브릴루아 광기계 설정에서 기저 상태로 냉각할 수 있는 최대 기계적 질량은 얼마인가?
• RQ4 레이저 위상 노이즈가 존재할 경우 측변비 비대칭 온도 측정법이 열 밀도를 얼마나 정확하게 측정할 수 있는가?
• RQ5 가우시안 광학 모드 오버랩을 갖는 BAW 공진기에서 비 고유모드 진동수 진동을 효과적으로 정의하고 계산할 수 있는가?

주요 결과

• 기본 온도(약 200 mK)에서 시스템은 열 진동수 밀도가 0.3–0.4로 측정되어 양자 기저 상태 작동을 확인하였다.
• 레이저 가열의 영향은 극히 미미하였으며, 실제 밀도와 유추된 값 간의 차이는 0.01 진동수 미만이었다.
• 제곱평균근(RMS) 이동을 사용하여 계산한 진동수 모드의 효과적 질량은 494 µg로, 현재까지 측정된 바이어스된 기계적 물체 중 가장 무거운 질량이었다.
• 측변비 비대칭 온도 측정법을 통해 열 밀도가 0.5 이하임을 확인하였으며, 측정된 값 ninf_th = 0.4는 다양한 노이즈 모델 간 일관성을 보였다.
• 강한 광학 펌프 조건에서도 시스템은 여전히 기저 상태에 머물렀으며, 고강도 펌프 전력으로 인한 협동도가 1에 가까워져도 유추된 진동수 밀도는 0.5 이하로 유지되었다.
• 위상 노이즈 분석 결과, 유추된 진동수 밀도에 대한 보정 값은 극히 미미하여 ≤0.01 진동수 이하였으며, 실제 실험 조건에서 온도 측정법의 타당성을 입증하였다.