[논문 리뷰] Suppressing Recoil Heating in Levitated Optomechanics Using Squeezed Light

Carlos Gonzalez-Ballestero, Joanna A. Zielińska외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 13.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 레이저 반동 가열을 억제하기 위해 나노입자를 비틀린 빛으로 조사함으로써, 산산이 흩어진 광자들이 입자의 운동에 대해 지닌 정보를 줄이는 방법을 제안한다. 입사 광자의 양자 상태를 설계함으로써, 저자들은 반동 가열을 최대 98%까지 감소시킬 수 있음을 보여주며, 이는 더 긴 양자 혼돈 시간과 표준 양자 한계를 초월한 향상된 피드백 냉각을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We theoretically show that laser recoil heating in free-space levitated optomechanics can be arbitrarily suppressed by shining squeezed light onto an optically trapped nanoparticle. The presence of squeezing modifies the quantum electrodynamical light-matter interaction in a way that enables us to control the amount of information that the scattered light carries about a given mechanical degree of freedom. Moreover, we analyze the trade-off between measurement imprecision and back-action noise and show that optical detection beyond the standard quantum limit can be achieved. We predict that, with state-of-the-art squeezed light sources, laser recoil heating can be reduced by at least 60% by squeezing a single Gaussian mode with an appropriate incidence direction, and by 98% by squeezing a properly mode-matched mode. Our results, which are valid both for motional and librational degrees of freedom, will lead to improved feedback cooling schemes as well as boost the coherence time of optically levitated nanoparticles in the quantum regime.

연구 동기 및 목표

• 광학적으로 레이저된 나노입자에서의 양자 혼돈에 대한 기본적인 제한 요인인 레이저 반동 가열 문제를 해결하기 위해.
• 비틀린 빛이 빛-물질 상호작용에서 정보 유입을 제어함으로써 측정의 역작용을 줄일 수 있는지 탐색하기 위해.
• 캐비티 없는 자유공간 광기계 시스템에서 표준 양자 한계 이하의 피드백 냉각을 가능하게 하기 위해.
• 고전적이지 않은 빛 기법을 캐비티 기반에서 자유공간 레이저된 광기계 시스템으로 확장하기 위해.
• 중심 질량 운동과 진동 자유도 모두에 대해 반동 가열을 억제할 수 있는지 시험하기 위해.

제안 방법

• 집합 전자기 모드 기반에서 비틀린 진공 상태 존재 하에 빛-물질 해밀토니안을 이론적으로 유도하기 위해.
• 비틀림으로 인해 변화하는 산산이 흩어진 광자의 각도 및 편광 의존성에 기인한 수정된 산란 패atters(정보 복사 패턴)를 모델링하기 위해.
• 비고전적 조명 하에서 최소 감지 가능한 기계적 신호를 계산하기 위해 광검출의 입력-출력 관계를 유도하기 위해.
• 비틀림 매개변수의 함수로서 측정 불확실성과 역작용 노이즈 사이의 상충 관계를 분석하기 위해.
• 비구형 나노입자의 진동 자유도(회전 자유도)에 대한 이론적 확장을 위해.
• 반동 가열 억제를 극대화하기 위해 최적의 입사 방향을 가진 가우시안 모드 비틀린 빛을 사용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비틀린 빛은 산산이 흩어진 광자가 나노입자의 기계적 운동에 대해 지닌 정보를 줄일 수 있는가?
• RQ2 비고전적 빛을 사용할 경우 자유공간 레이저된 광기계 시스템에서 레이저 반동 가열을 어느 정도 억제할 수 있는가?
• RQ3 비틀림이 캐비티 없는 광기계 시스템에서 표준 양자 한계를 초월한 광학적 탐지 가능성을 제공하는가?
• RQ4 비틀린 빛을 사용해 레이저된 시스템에서 표준 양자 한계 이하의 피드백 냉각을 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 모드 매칭과 입사 각도는 반동 가열 억제 정도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 최적의 입사 방향으로 단일 가우시안 모드를 비틀면 반동 가열이 최소 60% 감소한다.
• 적절한 모드 매칭을 통해 최신 비틀린 빛 소스를 사용할 경우 반동 가열을 최대 98%까지 억제할 수 있다.
• 이 억제 효과는 비틀림에 의해 양자 전기역학적 수정이 일어나면서 산산이 흩어진 광자가 기계 자유도에 대해 지닌 정보가 감소하기 때문이다.
• 광학적 탐지 감도는 표준 양자 한계를 초월할 수 있으며, 이는 향상된 피드백 냉각과 더 낮은 도달 가능한 온도를 가능하게 한다.
• 결과는 광학적으로 트랩된 나노입자의 중심 질량 운동과 진동 자유도(회전 자유도) 모두에 대해 유효하다.
• 이 방법은 연장된 양자 혼돈 시간을 가능하게 하며, 자유공간 레이저된 시스템에서 지상 상태 냉각과 매크로스코픽 양자 실험을 위한 길을 열어준다.