[논문 리뷰] Engineered dissipative reservoir for microwave light using circuit optomechanics

L. D. Tóth, Nathan Bernier외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 16.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 마이크로파 회로 옵티모메커니컬 시스템에서 역방향 소산 상태를 입증한다. 여기서 기계 진동자는 마이크로파 광자에 대해 냉각되고 설계된 소산 저항으로 기능한다. 기계적 감쇠를 제어함으로써 저자들은 마이크로파 장의 실시간 증폭 및 감쇠를 달성하고, 비선형 불안정성(마징)을 관찰하며, 낮은 잡음, 위상 보존 증폭기를 실현함으로써 양자 마이크로파 조작 및 얽힘을 위한 새로운 길을 열어 놓는다.

ABSTRACT

Isolation of a system from its environment is often desirable; however, dissipation can also be a useful resource. Remarkably, engineered dissipation enables the preparation and stabilization of quantum states of atoms, ions or superconducting qubits. This is achieved by a suitably engineered coupling to a dissipative cold reservoir formed by electromagnetic modes. Similarly, in the field of cavity electro- and optomechanics the control over mechanical oscillators utilizes the inherently cold dissipative nature of the electromagnetic degree of freedom. Breaking from this paradigm, recent theoretical work has considered the opposite regime in which the dissipation of the mechanical oscillator dominates and provides a cold dissipative reservoir to the electromagnetic mode. Here we report the experimental realization of this reversed dissipation regime in a microwave cavity optomechanical system and realize a quasi-instantaneous, cold reservoir for microwave light. We evidence this regime by decreasing or increasing the damping rate of the cavity on demand, that corresponds to amplification and de-amplification of the microwave field. Additionally, we observe the onset of parametric instability, i.e. the stimulated emission of microwaves (masing). Moreover, we employ the engineered cold reservoir to implement a low-noise, large-gain phase-preserving amplifier. Beyond offering the manipulation of microwave fields, such a dissipative reservoir for microwave light, when coupled to multiple cavity modes, forms the basis of microwave entanglement schemes, electromechanical amplifiers with unlimited gain-bandwidth product and dissipative quantum phase transitions. Equally important, combining such reservoir-mediated interaction with coherent dynamics allows for the realization of non-reciprocal devices, which would extend the available toolbox of quantum-limited microwave manipulation techniques.

연구 동기 및 목표

• 기계적 감쇠가 지배하는 역방향 소산 상태를 실현하여 기계 진동자가 마이크로파 광자에 대해 냉각되고 설계된 저항으로 기능하도록 한다.
• 기계 진동기 결합을 통해 마이크로파 장 감쇠율에 대한 동적 제어를 입증한다.
• 설계된 저항을 활용하여 낮은 잡음, 고이득, 위상 보존 증폭기를 실현한다.
• 이러한 저항이 마이크로파 얽힘 생성 및 비대칭 장치 구현 가능성을 탐색한다.

제안 방법

• 초전도 마이크로파 공진기와 기계 진동기 사이에 강한 결합이 이루어진 마이크로파 공진기 옵티모메커니컬 시스템을 이용한다.
• 기계 진동기의 감쇠율을 조작하여 전자기 모드에 대해 조절 가능한 냉각 저항으로 기능하도록 설계한다.
• 기계적 소산을 시간에 따라 제어하여 마이크로파 장의 증폭 또는 감쇠를 유도한다.
• 저항이 공진 상태에 들어갈 때 자극된 마이크로파 방출(마징)을 통해 비선형 불안정성(마징)을 관측한다.
• 저항을 통한 상호작용을 활용하여 최소한의 추가 잡음을 유발하는 위상 보존 증폭기를 실현한다.
• 다중 모드 시스템으로 이 프레임워크를 확장하여, 얽힘 및 양자 한계 장치 응용 가능성을 탐색한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기계적 소산은 마이크로파 광자에 대해 냉각되고 설계된 저항으로 작용할 수 있는가?
• RQ2 기계적 감쇠의 동적 제어는 마이크로파 장의 증폭 및 감쇠에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 설계된 저항은 마이크로파 시스템에서 비선형 불안정성(마징)을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ4 저항을 통한 상호작용을 이용하여 낮은 잡음, 고이득 위상 보존 증폭기를 제작할 수 있는가?
• RQ5 이러한 저항은 소산 양자 상전이 및 비대칭 마이크로파 장치에 대해 어떤 함의를 지닌다?

주요 결과

• 실험적으로 기계 진동기가 마이크로파 광자에 대해 냉각되고 설계된 저항으로 기능하는 역방향 소산 상태가 실현되었다.
• 마이크로파 공진기의 감쇠율이 필요에 따라 제어 가능하게 증가하거나 감소하여 마이크로파 장의 증폭 및 감쇠가 가능해졌다.
• 저항이 공진 상태에 들어갈 때 자극된 마이크로파 방출(마징)으로 나타나는 비선형 불안정성이 실험적으로 관측되었다.
• 저항을 통한 상호작용을 활용하여 낮은 잡음, 고이득 위상 보존 증폭기가 성공적으로 실현되었다.
• 설계된 저항은 마이크로파 얽힘 생성 및 비대칭 마이크로파 장치 실현 가능성을 제공한다.
• 이 시스템은 소산 양자 상전이 및 무한대의 이득-대역폭 곱을 가진 전기기계 증폭기 구축의 기초를 다졌다.