[논문 리뷰] Optimal quantum control of mechanical motion at room temperature: ground-state cooling

Lorenzo Magrini, Philipp Rosenzweig외 7명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 30.

Quantum Information and Cryptography인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 양자 제한 위치 측정과 칼만 필터링을 통한 상태 추정을 이용하여 실시간 최적 양자 제어를 수행함으로써 실온에서 광학적으로 트랩된 나노입자를 제어함을 보여준다. 이 방법은 평균 고유 진동수 수가 $ n = 0.56 \pm 0.02 $인 상태에서 기저 상태 냉각을 달성하여 열역학적 잡음에도 불구하고 기계 진동자를 양자 기저 상태 근처에 안정화시킨다.

ABSTRACT

The ability to accurately control the dynamics of physical systems by measurement and feedback is a pillar of modern engineering. Today, the increasing demand for applied quantum technologies requires to adapt this level of control to individual quantum systems. Achieving this in an optimal way is a challenging task that relies on both quantum-limited measurements and specifically tailored algorithms for state estimation and feedback. Successful implementations thus far include experiments on the level of optical and atomic systems. Here we demonstrate real-time optimal control of the quantum trajectory of an optically trapped nanoparticle. We combine confocal position sensing close to the Heisenberg limit with optimal state estimation via Kalman filtering to track the particle motion in phase space in real time with a position uncertainty of 1.3 times the zero point fluctuation. Optimal feedback allows us to stabilize the quantum harmonic oscillator to a mean occupation of $n=0.56\pm0.02$ quanta, realizing quantum ground state cooling from room temperature. Our work establishes quantum Kalman filtering as a method to achieve quantum control of mechanical motion, with potential implications for sensing on all scales.

연구 동기 및 목표

• 열역학적 잡음이 支배하는 실온에서 기계 시스템에 실시간 최적 양자 제어를 확장하는 것.
• 측정 기반 피드백을 이용하여 기계 진동자의 기저 상태 냉각을 달성하는 것.
• 거대 기계 시스템에서 양자 제한 위치 측정과 최적 상태 추정을 위한 칼만 필터링을 구현하는 것.
• 이전에 원자 및 광학 시스템에서 사용된 양자 제어 기법이 중간 척도 기계 운동에 적응 가능함을 보여주는 것.

제안 방법

• 헤이젠베르크 한계에 가까운 측정을 위해 공면 위치 측정을 사용하여 위치 불확실성을 0점 진동의 1.3배로 구현함.
• 나노입자의 위상공간 궤적에 대한 실시간 최적 상태 추정을 위해 칼만 필터링을 적용함.
• 추정된 상태 기반 피드백 제어 루프를 구현하여 기계 진동자를 안정화함.
• 조화 진동자의 평균 고유 진동수 수를 최소화하도록 특화된 피드백 알고리즘을 사용함.
• 고정도 측정과 최적 추정을 조합하여 열운동을 억제하고 시스템을 냉각함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자 제한 측정을 사용하여 실온 기계 시스템에서 실시간 최적 양자 제어를 달성할 수 있는가?
• RQ2 칼만 필터링이 거대 기계 진동자에서 피드백 제어를 위한 정확한 상태 추정을 어느 정도 가능하게 하는가?
• RQ3 실온에서 피드백 제어를 받는 기계 시스템에서 도달 가능한 최저 평균 고유 진동수 수는 얼마인가?
• RQ4 원자 및 광학 시스템에서 개발된 양자 제어 기법이 기계 운동에 성공적으로 이식될 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 평균 고유 진동수 수가 $ n = 0.56 \pm 0.02 $인 상태를 달성하여 실온에서 기저 상태 냉각을 입증함.
• 위치 불확실성이 0점 진동의 1.3배로 측정되어 헤이젠베르크 한계에 가까운 측정을 나타냄.
• 칼만 필터링을 통해 나노입자의 운동에 대한 위상공간에서 실시간 최적 상태 추정이 가능해짐.
• 피드백 제어가 열운동을 성공적으로 억제하여 진동자를 양자 기저 상태 근처에 안정화시킴.