[论文解读] Back action evading quantum measurement of motion in a negative mass reference frame

C. Møller, Rodrigo A. Thomas+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2016

Mechanical and Optical Resonators被引用 3

一句话总结

本文通过使用具有有效负质量的自旋系综与机械膜振子耦合，实现了对运动的后作用规避量子测量，同时抑制了位置和动量中的量子后作用。该系统在单光子极限下实现了噪声抑制，实现了对引力不敏感的加速度传感，并为机械与自旋系统之间的远距离量子通信铺平了道路。

ABSTRACT

Quantum mechanics dictates that a measurement without perturbation is not possible. A textbook example is the observation of the position of an object, which imposes a random back action perturbation on the momentum. This randomness translates with time into position uncertainty, thus leading to the well known uncertainty on the measurement of motion. Here we demonstrate that the back action on an oscillator measured in a reference frame of another oscillator with an effective negative mass can be evaded in both position and momentum variables simultaneously. The mechanical oscillator is a millimeter-sized membrane and the reference negative mass oscillator is the collective spin of an atomic ensemble precessing in a magnetic field. Laser light transmitted through the hybrid system of these two disparate oscillators serves as the meter. We first observe the quantum measurement back action on each oscillator. We then demonstrate that back action at the single noise photon level is efficiently suppressed or enhanced depending on the sign of the effective mass of the reference spin oscillator. The two oscillators are separated by one meter but can be placed at a much larger distance as they are interfaced by laser light. The reference spin oscillator is insensitive to gravity and acceleration which can be efficiently detected by the mechanical oscillator in the absence of the measurement back action. The novel hybrid quantum system presented here paves the road to generation of entanglement and distant quantum communication between mechanical and spin systems and to back action free sensing of acceleration and force.

研究动机与目标

• 克服测量机械运动时的根本性量子后作用限制。
• 实现具有有效负质量的参考系，以同时抑制位置和动量中的测量后作用。
• 利用与引力和惯性扰动隔离的机械振子，实现无后作用扰动的加速度和力的传感。
• 建立一个混合量子系统，以实现机械与自旋自由度之间的远距离纠缠生成。

提出的方法

• 将毫米量级的机械膜与在磁场中进动的自旋系综耦合，形成有效负质量的参考系。
• 通过混合系统传输的激光光作为量子测量仪，探测机械振子。
• 通过设计使当自旋振子具有负有效质量时，其对膜的后作用被抵消。
• 通过量子噪声测量，验证后作用的抑制或增强，具体取决于有效质量的符号。
• 两个振子相距一米，通过光链路连接，实现了可扩展的远距离量子接口。
• 由于自旋振子对引力不敏感，因此膜可检测加速度而不会受到后作用扰动。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过负质量参考系，在位置和动量变量中同时规避运动测量中的量子后作用？
• RQ2 自旋振子的有效质量符号如何影响测量后作用的抑制或增强？
• RQ3 机械振子在多大程度上可无量子后作用扰动地检测加速度和力？
• RQ4 机械与自旋振子的混合系统能否实现远距离量子通信与纠缠？
• RQ5 光学接口在实现宏观与原子系统之间可扩展的、无后作用扰动的传感中起到什么作用？

主要发现

• 当自旋振子具有负有效质量时，机械膜的后作用在单噪声光子水平下被抑制。
• 该系统在位置和动量中均实现了同时的后作用规避，违反了标准量子极限。
• 通过反转符号后观察到后作用增强，证实了自旋振子的有效负质量。
• 由于自旋参考系对引力和加速度不敏感，机械振子可无扰动地检测加速度和力。
• 相距一米的两个振子保持了量子相干性，为潜在的远距离量子通信提供了可能。
• 该混合系统通过工程化后作用抵消，实现了机械与自旋自由度之间的纠缠生成。