[논문 리뷰] Quantum correlations under the effect of a thermal environment in a triangular optomechanical cavity

Oumayma El Bir, M. El Baz|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 05.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 51인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 열 노이즈 하에서 두 개의 이동 가능한 거울을 갖는 삼각형 광기계 캐비티에서의 양자 상관관계—상관관계, 가우시안 양자 논리오차, 상호정보량—를 조사한다. 선형화된 양자 랭지비안 방정식과 공분산 행렬 형식을 사용하여, 엔트로피(로그 항등식으로 측정됨)는 온도와 거울 질량이 증가함에 따라 약화되며, 양자 논리오차는 상관관계 발생 이전에도 지속됨을 보여주며, 분리 가능한 상태에서도 강건한 비고전적 상관관계가 존재함을 시사한다.

ABSTRACT

We quantify the stationary correlations between the optical mode and the relative mechanical mode of a ring cavity composed of a fixed mirror and two movable ones in a triangular design. The bipartite covariance matrix, is used to evaluate the logarithmic negativity as a measure of entanglement, the Gaussian quantum discord as a measure of total quantum correlations and the mutual information as a measure of the overall correlations. The behaviour of these quantities with respect to the environment's temperature as well as other parameters such as the laser pumping power and mass of the movable mirrors is discussed.

연구 동기 및 목표

• 고정 거울 하나와 이동 가능한 거울 두 개를 갖는 고리형 광기계 캐비티에서 정적인 양자 상관관계를 분석하기.
• 특히 열 환경 영향 하에서의 양자 상관관계—구체적으로 상관관계와 양자 논리오차—의 강건성을 정량화하기.
• 레이저 출력, 거울 질량, 온도 간의 상호작용이 양자 상관관계의 지속성에 미치는 영향을 조사하기.
• 가우시안 상태에서의 양자 상관관계 측정으로서 상관관계(로그 항등식), 논리오차, 상호정보량을 비교하기.
• 양자 논리오차가 상관관계 임계점 이후에도 지속됨을 보여주어, 비고전적 상관관계의 더 강건한 측정 도구로서의 역할을 입증하기.

제안 방법

• 고정 거울 하나와 이동 가능한 거울 두 개를 갖는 고리형 캐비티로 시스템을 모델링하고, 일관된 레이저 소스로 구동하기.
• 복사압에 의한 광기계 결합을 포함하는 해밀토니안 유도 — 기계 모드에 대한 무차원 위치 및 운동량 연산자 사용.
• 선형화된 양자 랭지비안 방정식을 풀어 광학 모드와 상대 기계 모드의 안정 상태 이변량 공분산 행렬을 도출하기.
• 공분산 행렬의 시플렉틱 고유값을 사용하여 상관관계 측정으로서 로그 항등식을 계산하기.
• 공분산 행렬 요소의 함수와 시플렉틱 고유값을 포함하는 공식을 사용해 가우시안 양자 논리오차 계산하기.
• 상호정보량을 고전적 상관관계와 양자 상관관계의 합으로 평가하여 총 상관관계 측정 도구 제공하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 환경 온도가 증가함에 따라 삼각형 광기계 캐비티의 정적 상관관계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 레이저 주입 출력이 양자 상관관계의 열에 대한 강건성에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ3 열 노이즈로 인해 상관관계가 소멸된 후에도 양자 논리오차가 시스템에서 지속될 수 있는가?
• RQ4 이동 가능한 거울의 질량이 온도 상승에 따른 양자 상관관계의 약화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 효과적 딜레이 ∆/ωm에 따라 상호정보량, 양자 논리오차, 상관관계는 어떻게 스케일링되는가?

주요 결과

• 로그 항등식(상관관계)는 온도와 거울 질량이 증가함에 따라 감소하며, P = 4 mW일 경우 T ≈ 4.5 mK, P = 10 mW일 경우 T ≈ 9 mK에서 0이 된다.
• 가우시안 양자 논리오차는 상관관계 임계점 이후에도 여전히 비영이 되어, 상관관계가 소실된 후에도 열 노이즈에 대해 강건함을 보여준다.
• 상호정보량과 양자 논리오차는 ∆ ≈ ωm 근처에서 최고에 도달하고, 딜레이가 증가함에 따라 감소하여 공명 시점에서 최적의 상관관계 생성이 이루어짐을 시사한다.
• 고정된 딜레이 조건에서 상호정보량은 항상 양자 논리오차를 초과하며, 이는 상호정보량이 고전적 상관관계와 양자 상관관계를 모두 포함함을 확인한다.
• 시스템은 분리 가능한 상태에서도 비영인 양자 논리오차를 나타내며, 이는 양자 논리오차가 상관관계를 초월한 상관관계를 포착함을 확인한다.
• 공분산 행렬 형식은 가우시안 상태의 완전한 특성화를 가능하게 하여, 열 디코herence 하에서 상관관계, 논리오차, 총 상관관계의 정밀한 정량화를 허용한다.