[논문 리뷰] Motional Sideband Asymmetry in Quantum Optomechanics in the Presence of Kerr-type Nonlinearities

Liu Qiu, Itay Shomroni외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 31.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 해결된 사이드밴드 영역에서 작동하는 나노광기계 시스템에서 킬러형 비선형성이 운동 사이드밴드 비대칭성에 어떻게 영향을 미치는지 조사한다. 동시에 레드디 tune 및 블루디 tune 레이저를 사용함으로써, 저자들은 보조 냉각 레이저가 시스템 내부의 시간 주기적 장을 유도하여 열기계적 사이드밴드를 결합시켜 인위적인 비대칭성을 유도함을 보여준다. 이 현상은 플로케트 기반 이론 모델을 통해 정확히 설명되며, 다중 톤을 사용하는 양자 측정 기법에 대한 영향을 미친다.

ABSTRACT

Asymmetry in the motional sideband spectrum is a signature of the quantum regime of mechanical oscillators. It enables self-calibrated thermometry measurements, and has recently been experimentally studied in several optomechanical systems. Here, we present motional sideband asymmetry measurements in the well-resolved sideband regime of a nano-optomechanical system sideband-cooled close to the ground state and probed simultaneously with red- and blue-detuned lasers. We show that the nonlinear cavity response, induced for example by the thermo-optical frequency shift or the Kerr effect, can lead to an artificially modified motional sideband asymmetry. The presence of an auxiliary drive, such as the sideband cooling laser, creates an oscillating intracavity field which leads to coupling of originally independent thermomechanical sidebands and modifies the observed sideband asymmetry. We develop a theoretical model based on Floquet theory that accurately describes our observations. This phenomenon has wide-ranging implications for schemes utilizing several probing or pumping tones, as commonly employed in backaction-evading measurements, dissipative optical squeezing, dissipative mechanical squeezing, as well as recent demonstrations of non-reciprocal devices.

연구 동기 및 목표

• 양자 광기계 시스템에서 킬러형 비선형성이 운동 사이드밴드 비대칭성에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 사이드밴드 냉각 레이저와 같은 보조 주입의 역할이 관측된 사이드밴드 비대칭성에 어떻게 영향을 미치는지 조사하는 것.
• 이 시스템의 비선형성 및 시간 주기적 동역학을 정확히 기술하는 이론적 프레임워크를 개발하는 것.
• 이러한 효과가 다중 탐측 또는 주입 톤에 의존하는 양자 측정 프로토콜에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• 해결된 사이드밴드 영역에서 기저 상태에 가까이 냉각된 나노광기계 시스템을 사용하는 것.
• 사이드밴드 비대칭성을 측정하기 위해 동시에 레드디 tune 및 블루디 tune 레이저를 사용하는 것.
• 시간 주기적 내부장 생성을 위해 보조 사이드밴드 냉각 레이저를 도입하는 것.
• 시간 주기적 해밀토니안을 모델링하고 사이드밴드 결합을 예측하기 위해 플로케트 이론을 적용하는 것.
• 사이드밴드 스펙트럼에 대한 비선형 캐비티 반응, 특히 열광학적 효과와 킬러 효과를 분석하는 것.
• 실험적 사이드밴드 비대칭 측정값을 플로케트 기반 이론 모델의 예측값과 비교하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 킬러형 비선형성은 광기계 시스템에서 관측된 운동 사이드밴드 비대칭성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 냉각 레이저와 같은 보조 주입의 존재가 사이드밴드 스펙트럼의 인위적 비대칭성에 어느 정도 기여하는가?
• RQ3 비선형성 및 시간 주기적 주입 조건 하에서 플로케트 기반 이론 모델이 열기계적 사이드밴드 간의 결합을 정확히 기술할 수 있는가?
• RQ4 이러한 비선형 효과가 배동작용 회피 측정 및 소산성 양자 압축에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 열광학 효과 또는 자기위상변조와 같은 킬러형 비선형성은 관측된 운동 사이드밴드 비대칭성에 인위적인 변화를 유도한다.
• 보조 냉각 레이저는 기존에 독립적이던 열기계적 사이드밴드를 연결하는 시간 주기적 내부장을 생성하여 비대칭성을 왜곡시킨다.
• 보조 주입에 의해 유도된 비선형 결합으로 인해 관측된 비대칭성은 기대되는 양자역학적 예측과 다름을 보인다.
• 플로케트 기반 이론 모델은 실험적 사이드밴드 비대칭성을 정량적으로 재현하여, 이 모델이 비선형 광기계 동역학을 기술하는 데 유용하다는 것을 검증한다.
• 이러한 효과는 다중 톤을 사용하는 양자 측정 기법, 예를 들어 소산성 기계적 압축 및 비대칭 장치에 중요한 영향을 미친다.