[论文解读] A quantum optomechanical Mach clock

G. J. Milburn, Thomas J. Milburn|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2017

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 5被引用 4

一句话总结

本文提出了一种量子光力学系统，通过机械振子与热库耦合调制的两个腔体之间的不可逆光子转移，实现类似马赫风格的热力钟。通过弱连续测量光子数差，系统表现出一种随机的、非周期性的时间保持机制，类似于放射性碳定年法，其中量子涨落改变了单一体系中的经典热力学行为。

ABSTRACT

We introduce a quantum thermodynamic system that can operate as a thermal clock in analogy with the thermal clock first introduced by Ernst Mach in which the temperature difference between cooling bodies in contact can be used as a kind of relational time. Our model is based on an optomechanical system in which photons are transferred irreversibly between two cavities due to the modulation of the cavity cooling rate by a mechanical system coupled to a heat bath. We contrast the ensemble average view with a single system view using the theory of continuous measurement and we show that, by making a weak continuous measurement of the energy difference between the systems, a natural Mach thermal clock arises in an appropriate semiclassical limit. We investigate how quantum fluctuations modify this result.

研究动机与目标

• 将恩斯特·马赫的经典热力钟概念扩展至量子领域，利用光力学系统实现。
• 研究量子涨落在单一体系背景下如何影响非周期性时间保持，与系综平均进行对比。
• 证明弱连续测量能量差可在半经典极限下自然实现马赫钟。
• 探讨量子相干性与退相干在时间保持过程中如何改变经典热力学行为。

提出的方法

• 建立一个光力学系统模型，其中机械振子通过耦合哈密顿量调制两个光学腔体之间的光子交换。
• 引入热库以维持机械模式处于热平衡，从而实现不可逆动力学。
• 利用与传输线耦合的量子比特探测器，对两个腔体之间的光子数差实施弱连续测量。
• 使用随机主方程与伊藤演算描述在测量条件下腔场的条件动力学。
• 绝热消除量子比特自由度，推导出包含数目退相干项的有效主方程，适用于腔场。
• 模拟随机测量记录，表明信号演化为多值随机脉冲过程，反映光子数的跃迁。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在量子光力学系统中实现非周期性、不可逆的时间保持？
• RQ2 弱连续测量在区分热力钟中单一体系动力学与系综平均行为中起什么作用？
• RQ3 量子涨落如何在单个系统实现中改变经典马赫钟的行为？
• RQ4 光力学系统动力学在何种方式上类似于放射性碳定年法的随机、不可逆时间保持？
• RQ5 集体量子相干效应是否可被识别为导致钟表运行中偏离经典热力学行为的根源？

主要发现

• 光子数差的随机测量记录演化为多值随机脉冲过程，跃迁对应于两个腔体之间不可逆的光子转移。
• 在系综平均下，该信号重现经典牛顿冷却定律，腔体一中的平均光子数遵循确定性衰减。
• 由随机薛定谔方程支配的单一体系动力学，通过单条轨迹的随机演化编码时间，实现了马赫钟。
• 量子涨落表现为对经典行为的偏离，主要通过与 $\Lambda = 4\kappa^2 / \gamma_q$ 成比例的数目退相干项体现。
• 当初始态为热态时，系统的动力学可映射为经典条件主方程，从而实现对随机过程的高效模拟。
• 测量记录的随机性质，类比于放射性碳衰变，确立了一种基于不可逆热力学的物理可实现、非周期性量子钟。