[논문 리뷰] Quantum optomechanics of a two-dimensional atomic array

Ephraim Shahmoon, Mikhail D. Lukin외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 02.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 거의 완벽한 반사성과 초경량 기계적 질량을 활용하여 캐비티 없이 강한 광기계 결합을 가능하게 하는 새로운 플랫폼으로서 이차원 원자 배열을 제안한다. 연속파 레이저 조명 하에서 집합적인 원자 운동은 산란된 빛 스펙트럼에 다수의 사이드밴드를 생성하고, 큰 시공간적 양자 노이즈 압축을 유도하며, 높은 기계적 감도를 갖는 캐비티 없는 비선형 양자 광기계학의 길을 보여준다.

ABSTRACT

We demonstrate that a two-dimensional (2D) atomic array can be used as a novel platform for quantum optomechanics. Such arrays feature both nearly-perfect reflectivity and ultra-light mass, leading to significantly-enhanced optomechanical phenomena. Considering the collective atom-array motion under continuous laser illumination, we study the nonlinear optical response of the array. We find that the spectrum of light scattered by the array develops multiple sidebands, corresponding to collective mechanical resonances, and exhibits nearly perfect quantum-noise squeezing. Possible extensions and applications for quantum nonlinear optomechanics are discussed.

연구 동기 및 목표

• 트랩된 원자로 이루어진 2D 배열을 사용하여 캐비티 없는 시스템에서의 양자 광기계학을 탐구한다.
• 거대한 시스템에서 기계적 영점 운동이 최소화된 상태에서 강한 광기계 결합을 달성하는 데 도전하는 문제를 다룬다.
• 2D 배열 내 집합적인 원자 운동이 산란된 빛에서 비선형 광학적 반응과 양자 상관관계를 유도할 수 있음을 보여준다.
• 2D 원자 배열과 악성 캐비티, 해소되지 않은 사이드밴드 영역에서의 표준 캐비티 광기계학 간의 매핑을 수립한다.
• 출력 빛에서 큰 시공간적 압축을 생성할 잠재력을 조사하여 소수의 광자 양자 광기계학의 새로운 영역을 가능하게 한다.

제안 방법

• 고정된 횡방향 위치와 평형 상태에서의 縦방향 운동을 갖는 2D 격자 내 이중준위 원자로 2D 원자 배열을 모델링한다.
• 전기 dipole- dipole 상호작용과 복사압을 통한 빛에 의한 집합적 원자 운동을 양자역학적 접근으로 기술한다.
• 효과적인 광기계 결합 상수를 사용하여 악성 캐비티, 해소되지 않은 사이드밴드 영역에서의 표준 캐비티 광기계 모델로 시스템을 매핑한다.
• 입력-출력 이론을 사용하여 비선형 광기계 반응과 집합적 기계 모드를 고려한 산란된 빛 스펙트럼을 유도한다.
• 출력 장의 연산자에 대한 보골리우브 변환과 교환관계를 사용하여 출력 장의 양자 노이즈 및 상관성 특성을 분석한다.
• 균형 잡힌 이중측 조명이 입력 포트의 진공 노이즈를 상쇄함으로써, 완벽한 반사 없이도 최적의 압축을 달성할 수 있음을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 트랩된 원자로 이루어진 2D 배열은 캐비티 없는 플랫폼으로서 강한 양자 광기계학을 위해 활용될 수 있는가?
• RQ2 연속파 레이저 조명 하에서 집합적인 원자 운동이 산란된 빛 스펙트럼에 비선형 광학적 사이드밴드를 어떻게 유도하는가?
• RQ3 이러한 시스템의 산란된 빛에서 달성 가능한 양자 노이즈 압축의 정도는 무엇이며, 기계적 공진에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 완벽한 반사에 의존하지 않고 균형 잡힌 이중측 조명 방식을 통해 최적의 압축을 달성할 수 있는가?
• RQ5 이 시스템의 거동는 표준 캐비티 광기계학과 어떻게 매핑되는가? 그리고 비선형 및 소수의 광자 양자 광기계학에 대한 함의는 무엇인가?

주요 결과

• 2D 원자 배열은 협동 공진 주파수에서 거의 완벽한 반사성을 보이며, 전달 손실이 최소화된 강한 빛-물질 상호작용을 가능하게 한다.
• dipole-dipole 상호작용으로 인해 집합적 기계 모드가 발생하며, 이는 산란된 빛 스펙트럼의 다수의 사이드밴드로 나타나며, 이는 이러한 공진에 대응한다.
• 출력 빛은 큰 시공간적 양자 노이즈 압축을 나타내며, 압축 수준이 거의 완벽한 양자 노이즈 감소에 가까워진다.
• 이 시스템은 표준 캐비티 광기계학의 악성 캐비티, 해소되지 않은 사이드밴드 영역에 효과적으로 매핑되며, 기준 플랫폼으로서의 유효성을 검증한다.
• 완벽한 반사 없이도 균형 잡힌 이중측 조명 방식을 통해 입력 포트의 진공 노이즈를 상쇄함으로써 동일한 최적의 압축을 달성할 수 있다.
• 기계적 공진에서 비록 추상적 분석의 단순화 가정이 붕괴되더라도, 문제 영역의 좁은 폭으로 인해 압축은 강인하고 명확하게 유지된다.