[논문 리뷰] Observation of a room-temperature oscillator's motion dominated by quantum fluctuations over a broad audio-frequency band

J. Cripe, N. Aggarwal외 8명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 27.

Gyrotron and Vacuum Electronics Research인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 펄스-파동형 광학 기계 진동자에서 10–50 kHz 음향 주파수 대역에서 실온에서 광학적 압력 레이저 노이즈(QRPN)가 지배하는 광역 대역의 양자 레이저 압력 노이즈를, 패배율이 높은 단일 결정 마이크로레지오너터를 이용한 파브리-페로 캐비티에서 관찰하였다. 관측된 QRPN은 광학적 출력 전력의 제곱근에 비례하며 열 노이즈를 초월하여, 중력파 탐지기에서 양자 노이즈 보정 기술(예: 끈적임 빛과 변량 측정)을 위한 시험대를 확립한다.

ABSTRACT

We report on the broadband measurement of quantum radiation pressure noise (QRPN) in an optomechanical cavity at room temperature over a broad range of frequencies relevant to gravitational-wave detectors. We show that QRPN drives the motion of a high-reflectivity single-crystal microresonator, which serves as one mirror of a Fabry-Perot cavity. In our measurements QRPN dominates over all other noise between 10 kHz and 50 kHz and scales as expected with the circulating power inside the cavity. The thermal noise of the microresonator, the largest noise source next to the QRPN, is measured and shown to agree with a structural damping model from 200 Hz to 30 kHz. By observing the effects of QRPN in the audio-band, we now have a testbed for studying techniques to mitigate back-action, such as variational readout and squeezed light injection, that could be used to improve the sensitivity of gravitational-wave detectors.

연구 동기 및 목표

• 실온에서 광역 음향 주파수 대역에서 거대한 기계 진동자에서 양자 레이저 압력 노이즈(QRPN)를 관측하는 것.
• 10–50 kHz 범위에서 QRPN이 열 노이즈 및 고전적 노이즈 원천보다 지배적이며, 중력파 탐지기에서 기본적인 제한 요소임을 입증하는 것.
• 변량 측정 및 끈적임 빛 주입과 같은 양자 노이즈 보정 전략을 실험적으로 검증하기 위한 실온 시험대를 확립하는 것.
• QRPN의 광학적 출력 전력에 따른 스케일링을 측정하고 모델링하여, 공진하지 않는 광역 대역 구성에서 양자 이론과의 일치를 확인하는 것.
• 레이저 가열 및 환경적 요동과 같은 고전적 노이즈 원천이 관측된 노이즈의 기원이 아님을 배제하여 신호의 양자 기원을 고립하는 것.

제안 방법

• 단일 결정 GaAs/AlGaAs 마이크로레지오너터를 한 면 거울로 사용하여 파브리-페로 광학 기계 캐비티를 구성하며, 지진 및 열 결합을 최소화하기 위해 구속하는 방식을 사용한다.
• 1064 nm 파장의 레이저 빛을 캐비티에 주입하고, 입력 전력의 일정을 유지하기 위해 이중 진폭 및 위상 변조 서보 제어를 사용하여 안정화한다.
• 마이크로레지오너터의 운동은 광학적 반사 빛을 광검출기(PD_M)로 측정하고, 그 신호를 스펙트럼 분석기로 전송하여 노이즈 분석을 수행한다.
• 2–90 kHz 범위에서 이동 노이즈 스펙트럼을 측정하며, 쇼트 노이즈, 열 노이즈, QRPN의 기여를 모델링하고 데이터와 비교한다.
• 광검출기의 전압을 물리적 이동으로 변환하기 위해 전송 함수 校정을 사용하며, 반복 측정을 통해 측정 불확도를 정량화한다.
• 열 노이즈는 구조적 감쇠 모델로 모델링하고, 고출력에서 저주파수 열 노이즈의 변화가 미미함을 관측하여 레이저 가열 효과를 배제한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실온에서 광역 음향 주파수 대역에서 거대한 기계 진동자에서 양자 레이저 압력 노이즈를 관측할 수 있는가?
• RQ2 측정된 QRPN이 양자 이론에서 예측한 바와 같이 광학적 출력 전력의 제곱근에 비례하는가?
• RQ3 10 kHz에서 50 kHz 사이에서 QRPN이 열 노이즈 및 고전적 노이즈 기여보다 주요한 노이즈 원천인가?
• RQ4 레이저 가열 또는 환경 진동과 같은 고전적 노이즈 원천이 관측된 노이즈의 기원이 될 수 있는가?
• RQ5 이 시스템은 중력파 탐지기와 관련된 양자 노이즈 보정 기술에 대해 실용적인 시험대가 될 수 있는가?

주요 결과

• 10 kHz에서 50 kHz 사이에서 양자 레이저 압력 노이즈(QRPN)가 마이크로레지오너터의 운동을 지배하며, 이 밴드 내에서 모든 다른 노이즈 원천을 초월한다.
• 측정된 QRPN은 광학적 출력 전력의 제곱근에 비례하며, 양자 노이즈에 대한 이론 예측과 일치한다.
• 열 노이즈는 두 번째로 큰 노이즈 원천이며, 200 Hz에서 30 kHz 범위에서 구조적 감쇠 모델로 잘 기술된다.
• 20 kHz에서의 관측된 노이즈는 저출력과 고출력 사이에서 두 배 증가하지만, 이는 레이저 가열 때문이 아니며, 저주파수 열 노이즈는 뿐만 아니라 측정 불확도 범위 내에서 2% 이내로 증가한다.
• 모든 네 가지 이동 노이즈 측정 결과는 QRPN이 없는 모델을 배제하며, 통계적으로 유의미한 수준에서 QRPN의 존재를 확인한다.
• 이 시스템은 실온에서 표준 양자 한계(SQL)의 약 5배 이내의 이동 노이즈 수준을 달성하여, 냉각을 통해 SQL 이하 작동을 위한 길을 열어 놓는다.