[논문 리뷰] Toward achieving the quantum ground state of a gram-scale mirror oscillator

T. R. Corbitt, Y. Chen외 8명|arXiv (Cornell University)|2006. 12. 21.

Quantum optics and atomic interactions인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 두 레이저 빔의 복사압을 이용한 광학 트랩을 제안하여 기계적 연결 고리의 열 노이즈 없이 1g의 거울을 0.8 K로 냉각한다—실온보다 370배 낮은 온도이다. 이 기술은 극한의 냉각을 가능하게 하며, 양자 기저 상태의 역학 수명을 최대 7개 항목만큼 연장시켜, 처음으로 그램 스케일 물체를 양자 기저 상태 준비에 가까이 다가가게 한다.

ABSTRACT

Observation of quantum mechanical effects in objects visible to the unaided eye has long been thought impossible due to the overwhelming effect of thermal excitations at room temperature. Recent proposals suggest that a nano- or micro-mechanical oscillator my exhibit quantum effects if optically cooled by viscous radiation pressure, despite the thermal agitation arising from its stiff mechanical attachment to the environment. Here we propose an optical trap that does not contribute thermal noise, unlike a stiff mechanical connection. We show how the radiation pressure from two laser beams can optically trap a free mass, and we demonstrate the technique experimentally with a 1 gram mirror. For the first time optical forces are seen to completely dominate the dynamics of a macroscopic object, allowing for larger reductions in temperature than was previously possible. The observed optical trap has a maximum eigenfrequency of 5 kHz and a Young's modulus of 1.2 TPa, 20% stiffer than diamond. This technique both generates extreme cooling, and mitigates the detrimental effect of thermal decoherence. The lowest effective temperature measured is 0.8 K, a factor of 370 below ambient room temperature, limited by technical noise in our apparatus. Temperature reductions 10 orders of magnitude below ambient are within reach through experimentally realizable parameters, which will enable the 1 gram mirror to approach the ground state. In contrast to previous work, we also show how the dynamical lifetime of the state, in the presence of thermal decoherence, may be extended by up to 7 orders of magnitude for this system. The proposed technique should expose the quantum-classical boundary in the strikingly large regime of gram-scale objects with 10^22 atoms.

연구 동기 및 목표

• 실온에서 매크로스코픽 기계 진동자에서 열 분리로 인한 도전을 극복하기 위해.
• 기계적 지지대를 복사압 기반 광학 트랩으로 대체하여 열 노이즈를 제거하기 위해.
• 실온보다 훨씬 낮은 온도로 1g의 거울을 광학 제어 및 냉각하여 양자 기저 상태에 가까이 다가가기 위해.
• 열 분리로 인한 양자 상태의 역학 수명을 연장하여, 큰 체계에서 양자 효과를 관측할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 반대 방향으로 진행하는 두 레이저 빔을 사용하여 기계적 결속 없이 자유로운 1g 거울을 광학 트랩으로 고정하는 복사압 힘을 생성하기 위해.
• 복사압을 통해 거울의 역학을 지배하게 하여 열 진동을 억제하고 강력한 냉각을 가능하게 하기 위해.
• 시스템의 고유진동수(최대 5 kHz)와 염력률(1.2 TPa)을 측정하여 다이아몬드 수준의 강성임을 나타내기 위해.
• 기술적 노이즈를 최소화하고 냉각 효율을 극대화하기 위해 레이저 파arameter를 최적화하며, 실험적으로 실현 가능한 조건에서 실내 온도보다 10개 항목 낮은 온도까지 이론적으로 예측하기 위해.
• 열 분리 모델을 적용하여 환경 결합 감소로 인한 양자 상태 수명 향상 정도를 정량화하기 위해.
• 광학 트랩을 통해 거울을 환경의 열 변동에서 격리하여 장수명의 양자 중첩 상태를 가능하게 하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기계적 제약 없이 복사압만으로 1g의 거울을 양자 기저 상태에 가까이 냉각시킬 수 있는가?
• RQ2 광학 트랩은 얼마나 열 노이즈를 줄이고 매크로스코픽 양자 상태의 공명 시간을 연장할 수 있는가?
• RQ3 그램 스케일 진동자에 대해 자유 질량 광학 트랩에서 달성 가능한 최대 냉각 및 역학 안정성은 어느 정도인가?
• RQ4 기계적 연결 고리의 부재는 시스템의 열 분리에 대한 민감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 방법을 통해 10^22개 원자를 포함하는 체계에서 양자-고전 경계를 실험적으로 탐색할 수 있는가?

주요 결과

• 광학 트랩은 1g의 거울을 효과적인 온도 0.8 K로 성공적으로 냉각하여 실온보다 370배 낮은 온도에 도달했다.
• 시스템은 최대 고유진동수 5 kHz와 염력률 1.2 TPa를 달성하여 다이아몬드 수준의 기계적 강성임을 나타냈다.
• 기계적 연결 고리를 제거함으로써 열 분리를 완화하여 환경 결합을 감소시키고, 양자 상태 수명을 최대 7개 항목 연장시켰다.
• 실내 온도보다 10개 항목 낮은 온도까지 실험적으로 실현 가능한 파arameter로 이론적으로 가능하다.
• 이론적으로 처음으로 복사압이 매크로스코픽 물체(1g)의 역학을 완전히 지배함을 입증하여 극한의 냉각이 가능해졌다.
• 이 기술은 1g의 거울이 양자 기저 상태에 가까이 다가가게 하여, 10^22개 원자를 포함하는 매크로스코픽 체계에서 양자 효과를 탐색할 수 있는 길을 열었다.