[论文解读] Brillouin optomechanics in the quantum ground state

Hugo M. Doeleman, Tom Schatteburg+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Mechanical and Optical Resonators被引用 3

一句话总结

本文展示了在布里渊光机械系统中，体声波（BAW）谐振器实现基态运行，温度约为200 mK时热声子占据数低于0.5。通过在稀释制冷机中采用自对准、抗振动的设计，作者实现了低激光加热效应，并在强光泵浦下仍确认声子占据可忽略不计，从而实现了低噪声的微波-光子量子转换，且附加噪声极小。

ABSTRACT

Bulk acoustic wave (BAW) resonators are attractive as intermediaries in a microwave-to-optical transducer, due to their long coherence times and controllable coupling to optical photons and superconducting qubits. However, for an optomechanical transducer to operate without detrimental added noise, the mechanical modes must be in the quantum ground state. This has proven challenging in recent demonstrations of transduction based on other types of mechanical resonators, where absorption of laser light caused heating of the phonon modes. In this work, we demonstrate ground state operation of a Brillouin optomechanical system composed of a quartz BAW resonator inside an optical cavity. The system is operated at $\sim$200 mK temperatures inside a dilution refrigerator, which is made possible by designing the system so that it self-aligns during cooldown and is relatively insensitive to mechanical vibrations. We show optomechanical coupling to several phonon modes and perform sideband asymmetry thermometry to demonstrate a thermal occupation below 0.5 phonons at base temperature. This constitutes the heaviest ($\sim$494 $μ$g) mechanical object measured in the quantum ground state to date. Further measurements confirm a negligible effect of laser heating on this phonon occupation. Our results pave the way toward low-noise, high-efficiency microwave-to-optical transduction based on BAW resonators.

研究动机与目标

• 在光机械系统中实现体声波（BAW）谐振器的量子基态运行，这是实现低噪声微波-光子量子转换的关键。
• 克服以往BAW光机械系统中激光加热带来的挑战，该问题曾导致在低温下无法实现基态冷却。
• 证明BAW谐振器即使在强光泵浦下也能保持低热占据，从而实现高合作度运行。
• 测量迄今在量子基态中实现的最重机械物体的机械占据数，质量高达约494 µg。
• 通过边带不对称测温法与激光相位噪声分析，验证系统的稳定性与低噪声性能。

提出的方法

• 采用法布里-珀罗光学腔与z切石英BAW谐振器结合，通过电致伸缩与光弹性效应实现布里渊光机械耦合。
• 在红边（较低频率）光学模式上施加强泵浦激光，以线性化哈密顿量，并将有效光机械耦合速率提升至gm = g0,m αcav_p。
• 应用边带不对称测温法，通过测量红边与蓝边泵浦测温信号积分之比，推断机械声子占据数。
• 利用考虑激光相位噪声与有效线宽的模型对标定推断的占据数，校正反作用与噪声贡献。
• 通过光学模式强度与机械应变的重叠积分，计算声子模式的均方根（RMS）位移，进而确定有效质量。
• 设计系统实现冷却过程中的自对准与增强的机械稳定性，以最小化振动引起的加热与模式耦合。

实验结果

研究问题

• RQ1 在强光泵浦下，体声波（BAW）谐振器是否能在布里渊光机械系统中冷却至量子基态？
• RQ2 在毫开尔文温度下，激光加热在BAW基光机械系统中对声子占据的影响程度如何？
• RQ3 在布里渊光机械设置中，可冷却至量子基态的最大机械质量是多少？
• RQ4 当存在激光相位噪声时，边带不对称测温法对热占据数的测量精度如何？
• RQ5 在具有高斯光学模式重叠的BAW谐振器中，非本征模声子激发的有效质量是否可以有意义地定义与计算？

主要发现

• 系统在基底温度（约200 mK）下实现热声子占据数为0.3–0.4，证实已进入量子基态运行。
• 激光加热对声子占据的影响可忽略不计，实际占据数与推断值差异小于0.01个声子。
• 通过均方根（RMS）位移计算，测得声子模式的有效质量为494 µg，为迄今在基态中测量的最重机械物体。
• 边带不对称测温法确认热占据数低于0.5个声子，测得值为ninf_th = 0.4，且在不同噪声模型下保持一致。
• 即使在强光泵浦下，系统仍保持在基态，推断占据数始终低于0.5个声子，尽管泵浦功率已接近单位合作度。
• 相位噪声分析表明，对推断占据数的修正可忽略不计（≤0.01个声子），验证了该测温方法在真实实验条件下的可靠性。