[论文解读] Motional Sideband Asymmetry in Quantum Optomechanics in the Presence of Kerr-type Nonlinearities

Liu Qiu, Itay Shomroni+4 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2018

Mechanical and Optical Resonators被引用 2

一句话总结

本文研究了在分辨边带 regime 下运行的纳米光机械系统中，Kerr 型非线性如何扭曲运动边带的不对称性。通过同时应用红失谐和蓝失谐激光，作者证明了辅助冷却激光会诱导产生一种时间周期性的腔内场，该场耦合热机械边带，从而导致人为的不对称性；基于 Floquet 的理论模型准确解释了观察到的偏离，其对使用多频信号的量子测量方案具有重要意义。

ABSTRACT

Asymmetry in the motional sideband spectrum is a signature of the quantum regime of mechanical oscillators. It enables self-calibrated thermometry measurements, and has recently been experimentally studied in several optomechanical systems. Here, we present motional sideband asymmetry measurements in the well-resolved sideband regime of a nano-optomechanical system sideband-cooled close to the ground state and probed simultaneously with red- and blue-detuned lasers. We show that the nonlinear cavity response, induced for example by the thermo-optical frequency shift or the Kerr effect, can lead to an artificially modified motional sideband asymmetry. The presence of an auxiliary drive, such as the sideband cooling laser, creates an oscillating intracavity field which leads to coupling of originally independent thermomechanical sidebands and modifies the observed sideband asymmetry. We develop a theoretical model based on Floquet theory that accurately describes our observations. This phenomenon has wide-ranging implications for schemes utilizing several probing or pumping tones, as commonly employed in backaction-evading measurements, dissipative optical squeezing, dissipative mechanical squeezing, as well as recent demonstrations of non-reciprocal devices.

研究动机与目标

• 理解 Kerr 型非线性如何影响量子光机械系统中的运动边带不对称性。
• 研究辅助驱动（如边带冷却激光）在改变观测到的边带不对称性中的作用。
• 建立一个能够准确捕捉这些系统中非线性与时间周期性动力学的理论框架。
• 评估这些效应对于依赖多频探测或泵浦信号的量子测量方案的影响。

提出的方法

• 在分辨边带 regime 下将纳米光机械系统冷却至接近基态。
• 使用同时的红失谐和蓝失谐激光探测来测量边带不对称性。
• 引入辅助边带冷却激光以产生时间周期性的腔内场。
• 应用 Floquet 理论来建模时间周期性哈密顿量并预测边带耦合。
• 分析非线性腔体响应（包括热光效应和 Kerr 效应）对边带谱的影响。
• 将实验测得的边带不对称性与基于 Floquet 理论模型的预测结果进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 Kerr 型非线性如何改变光机械系统中观测到的运动边带不对称性？
• RQ2 辅助驱动（如冷却激光）的存在在多大程度上会在边带谱中引起人为不对称性？
• RQ3 基于 Floquet 的理论模型能否准确描述在非线性和时间周期性驱动下热机械边带之间的耦合？
• RQ4 这些非线性效应对反作用逃避测量和耗散性量子压缩技术有何影响？

主要发现

• 由热光效应或自相位调制等引起的 Kerr 型非线性，会在观测到的运动边带不对称性中引起人为修改。
• 辅助冷却激光产生了一种时间周期性的腔内场，该场耦合了原本独立的热机械边带，从而扭曲了不对称性。
• 由于辅助驱动引起的非线性耦合，观测到的不对称性偏离了预期的量子力学预测。
• 基于 Floquet 的理论模型能够定量再现实验测得的边带不对称性，验证了其在描述非线性光机械动力学中的适用性。
• 这些效应对使用多频信号的量子测量方案具有重要影响，例如耗散性机械压缩和非互易器件。