[논문 리뷰] Observation of Optomechanical Quantum Correlations at Room Temperature

Thomas Purdy, Karen E. Grutter외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 18.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 34인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 주로 열 노이즈가 支배하는 환경에서, 교차상관관계 기술을 사용하여 광기계 양자상관관계를 분리함으로써 실온에서 나노기계 진동자에서의 양자 역작용을 입증한다. 열 노이즈와 양자상관관계의 진폭 비율을 측정함으로써, 기본 상수 기반의 온도를 추출함으로써 칩 내장형, 양자교정 온도계를 실현한다.

ABSTRACT

By shining laser light through a nanomechanical beam, we measure the beam's thermally driven vibrations and perturb its motion with optical forces at a level dictated by the Heisenberg measurement-disturbance uncertainty relation. Such quantum backaction is typically difficult to observe at room temperature where the motion driven by optical quantum intensity fluctuations is many orders of magnitude smaller than the thermal motion. We demonstrate a cross-correlation technique to distinguish optically driven motion from thermally driven motion, observing this quantum backaction signature up to room temperature. While it is often difficult to absolutely calibrate optical detection, we use the scale of the quantum correlations, which is determined by fundamental constants, to gauge the size of thermal motion, demonstrating a path towards absolute thermometry with quantum mechanically calibrated ticks.

연구 동기 및 목표

• 열 노이즈가 일반적으로 양자 효과를 지배하는 실온에서 거대한 기계 시스템에서의 양자 역작용을 탐지하는 것.
• 광기계 시스템에서 큰 열 노이즈와 측정 노이즈 속에서 약한 양자상관관계를 분리하는 방법을 개발하는 것.
• 기본 상수 기반의 양자상관관계를 이용한 절대 온도측정으로의 길을 보여주는 것.
• 헤이젠베르크의 불확정성 원리에 의해 예측된 양자 측정 역작용이 실온의 나노기계 진동자에서 관측될 수 있음을 검증하는 것.
• 실험적 표준이 아닌 양자역학에 기반한 교정 방식을 채택한 확장 가능한 칩 내장형 온도계를 구축하는 것.

제안 방법

• 광혼합 검출을 사용하여 출력 빛의 진폭과 위상 쿼드레이처를 측정함으로써 전체 양자상관관계 스펙트럼에 접근한다.
• 광기계 결합의 위상 의존성에 착안하여, π/2 간격으로 분리된 쿼드레이처 간의 교차상관관계 기술을 적용하여 열운동에서 양자 역작용을 분리한다.
• 복사압 슈팅노이즈(RPSN)와 열력 변동을 포함한 광기계 해밀토니안 역학 모델을 사용하여 상관관계 스펙트럼을 유도한다.
• 변동-소산 정리( fluctuation-dissipation theorem )를 적용하여 열력 스펙트럼을 온도와 연결함으로써 상관관계 진폭 비율을 통한 온도측정을 가능하게 한다.
• 대칭화된 상관관계 스펙트럼 $ S_{\frac{\theta}{4},\frac{\theta}{4}+\frac{\theta}{2}}(\nu) $ 를 사용하여 열 및 양자 기여를 추출하며, 비율 $ \mathrm{Re}\{S_{\frac{\pi}{4},\frac{3\pi}{4}}\}/\mathrm{Im}\{S_{\frac{\pi}{4},\frac{3\pi}{4}}\} $ 은 $ \coth(\hbar\omega/2k_B T) $ 를 나타낸다.
• 플랑크 상수, 볼츠만 상수와 같은 기본 상수를 사용하여 시스템을 교정함으로써 외부 교정 없이 절대 온도 측정이 가능하도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지배적인 열 노이즈 속에서 실온의 나노기계 진동자에서의 양자 역작용을 관측할 수 있는가?
• RQ2 교차상관관계 기술이 양자 유도 기계운동과 열로 유도된 운동을 효과적으로 분리할 수 있는가?
• RQ3 열 상관관계 스펙트럼과 양자 상관관계 스펙트럼의 진폭 비율이 $ \coth $ 함수에 의해 열역학적 온도를 정확히 반영하는가?
• RQ4 이 방법이 기본 상수 기반의 주요 온도 기준으로서 기능할 수 있는가?
• RQ5 관측된 양자상관관계 크기가 헤이젠베르크 측정-왜곡 불확정성 원리에 의한 예측과 일치하는가?

주요 결과

• 복사압 슈팅노이즈에 기인한 광학적 기계운동으로서의 양자 역작용이 실온에서 관측되었으며, 이는 열운동보다 수 개의 주기만큼 작지만 여전히 감지 가능하다.
• 열 교차상관관계의 실수부 $ \mathrm{Re}\{S_{\frac{\pi}{4},\frac{3\pi}{4}}\} $ 와 양자 교차상관관계의 허수부 $ \mathrm{Im}\{S_{0,\frac{\pi}{2}}\} $ 의 비율이 $ \coth(\hbar\omega/2k_B T) $ 의 의존성과 일치하여, 이 상관관계의 양자 기원을 확인한다.
• 상관관계 비율을 통해 유도된 온도 측정값이 독립적으로 측정된 값과 실험 불확도 범위 내에서 일치하여, 양자교정 온도측정 접근법의 타당성을 검증한다.
• 양자상관관계 진폭이 기본 상수 기반의 이론적 예측과 일치하여, 시스템이 양자 영역에서 작동하고 있음을 확인한다.
• 이 방법은 칩 크기의 장치에서 절대 온도측정을 가능하게 하며, 교정이 실험적 기준이 아닌 양자역학에 기반하여 독립적으로 이루어진다.
• 측정 역작용이 최소화되는 약한 프로브 조건에서도 이 기술은 효과적으로 유지되며, 상관관계 스펙트럼을 통한 감지가 가능하다.