[논문 리뷰] Ponderomotive light squeezing with atomic cavity optomechanics

Daniel W. C. Brooks, Thierry Botter외 4명|arXiv (Cornell University)|2011. 07. 28.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 6인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 40 pW 미만의 펌프 전력으로 26 dB 감쇠와 20 dB 증폭을 달성하면서, 양자 플럭투에이션에 의해 구동되는 원자 캐비티 옵티omechanical 시스템에서 서브샷노이즈 퍼텐도미틱 스트레칭을 실험적으로 입증한다. 이 실험은 직접적으로 양자한계에 도달한 스트레칭을 관측하고, 주파수 의존성 증폭 및 위상 응답을 특성화하는 양자 구동 옵티omechanical 파라메트릭 증폭기를 실현한다.

ABSTRACT

Accessing distinctly quantum aspects of the interaction between light and the position of a mechanical object has been an outstanding challenge to cavity-optomechanical systems. Only cold-atom implementations of cavity optomechanics have indicated effects of the quantum fluctuations in the optical radiation pressure force. Here we use such a system, in which quantum photon-number fluctuations significantly drive the center of mass of an atomic ensemble inside a Fabry-Perot cavity. We show that the optomechanical response both amplifies and ponderomotively squeezes the quantum light field. We also demonstrate that classical optical fluctuations can be attenuated by 26 dB or amplified by 20 dB with a weak input pump power of < 40 pW, and characterize the optomechanical amplifier's frequency-dependent gain and phase response in both the amplitude and phase-modulation quadratures.

연구 동기 및 목표

• 열적 및 기술적 노이즈의 제한 요인을 극복하고, 양자 플럭투에이션에 의해 구동되는 캐비티-옵티omechanical 시스템에서 퍼텐도미틱 스트레칭을 직접 관측하는 것.
• 초저온 원자로 구성된 파브리-페로 캐비티에서 극미량의 펌프 전력으로 고증폭, 위상 민감한 옵티omechanical 증폭기를 구현하는 것.
• 표준 양자 한계를 초월한 힘 측정을 가능하게 하기 위해, 옵티omechanical 증폭기의 주파수 의존성 증폭 및 위상 응답을 특성화하는 것.
• 운동 상태 기저 상태 근처로 준비된 시스템을 사용하여, 양자 옵티omechanical 파라메트릭 증폭의 이론적 프레임워크를 검증하는 것.

제안 방법

• 원자 캐비티의 고정밀도 파브리-페로 캐비티 내에서 초저온 87 Rb 원자 클러스터를 이용하여, 복사압에 의해 중심질량 운동이 캐비티장과 선형으로 결합되도록 구성.
• 시스템을 파라메트릭 증폭 영역으로 유도하기 위해 약한 광학적 펌프(36 pW)를 사용하여, 양자 플럭투에이션을 주요 구동원으로 간주.
• 선형화된 옵티omechanical 해밀토니안 $ H = \bar{h} g \bar{a}^\top \bar{a} (\bar{b} + \bar{b}^\top) $ 를 적용하여, 증폭도 $ G(\nu) \triangleq \frac{(i\bar{\nu} - \triangle) s_{\text{opt}}}{\omega_s^2 - \nu^2 - i\nu \Gamma_{\text{tot}}} $ 를 갖는 위상 민감한 증폭기로 모델링.
• 홀로다인 검출을 통해 광학장의 진폭 및 위상 2차원량을 측정하였으며, 로컬 오실레이터(LO)를 진공 및 빈 캐비티에 기반하여 기술적 노이즈를 분리.
• 네트워크 분 析를 통해 주파수 영역에서 옵티omechanical 증폭도 및 위상 응답을 매핑하여 증폭 및 감쇠 대역을 식별.
• 측정된 샤프트 노이즈 및 기술적 노이즈(LO-진공 및 LO-빈 캐비티 기반)를 제거하여, 전력 스펙트럼 밀도(PSD)에서 퍼텐도미틱 스트레칭 성분을 고립.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자 플럭투에이션에 의해 구동되는 캐비티-옵티omechanical 시스템에서, 고전적 드라이브가 아닌 양자 플럭투에이션에 의해 퍼텐도미틱 스트레칭을 직접 관측할 수 있는가?
• RQ2 초저온 원자 시스템에서, 양자로 구동되는 옵티omechanical 증폭기의 주파수 의존성 증폭 및 위상 응답은 어떠한가?
• RQ3 주로 양자 노이즈에 의해 지배되는 시스템에서, 40 pW 미만의 펌프 전력으로 고전적 광학 플럭투에이션을 얼마나 감쇠하거나 증폭시킬 수 있는가?
• RQ4 기술적 및 열적 노이즈 원인이 이러한 시스템에서의 양자 옵티omechanical 효과 관측을 얼마나 제한하는가?
• RQ5 최소한의 가열로 선형 영역에 머무르며 서브샷노이즈 스트레칭을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 옵티omechan적으로 변환된 노이즈 전력이 샤프트노이즈 수준의 99.0 ± 0.1%로 감소하여, 양자한계 성능을 확인한 서브샷노이즈 퍼텐도미틱 스트레칭을 관측.
• 펌프 전력이 40 pW 미만이지만 고전적 광학 플럭투에이션을 26 dB 감쇠하고 20 dB 증폭하여, 고증폭 파라메트릭 응답을 입증.
• 각 런의 첫 5 ms 동안 선형 조화 이론과 일치하는 옵티omechanical 응답을 보였으며, 측정된 기계적 공진 주파수 $ \omega_s = 2\pi \times 140.8 $ kHz 및 기계적 감쇠 $ \Gamma_m = 2\pi \times 3.2 $ kHz 를 확인.
• 기술적 노이즈는 극히 미미하였으며, 주로 75 kHz 이상에서 위상 노이즈 형태로 나타나, 복사압 변동에 기여도 1% 미만.
• 주파수 영역에서 옵티omechanical 증폭도 및 위상 응답을 매핑하여, 이론적 예측과 일치하는 명확한 증폭 및 감쇠 대역을 규명.
• 시간이 지남에 따라 증폭도 및 응답이 감소하는 경향을 관측하였으며, 이는 옵티omechanical 가열 및 클러스터 팽창으로 인한 것으로 추정되어, 데이터 수집을 매 런의 첫 5 ms로 제한.