[论文解读] Observation of a room-temperature oscillator's motion dominated by quantum fluctuations over a broad audio-frequency band

J. Cripe, N. Aggarwal+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2018

Gyrotron and Vacuum Electronics Research被引用 4

一句话总结

本研究利用法布里-珀罗腔中的高反单晶微型谐振腔，在室温下于10–50 kHz音频频段内，首次展示了宽带量子辐射压噪声（QRPN）主导宏观机械振荡器运动的现象。观测到的QRPN随光功率的平方根增长，且超过热噪声，为引力波探测中压缩态光与可变读出等量子噪声抑制技术提供了实验验证平台。

ABSTRACT

We report on the broadband measurement of quantum radiation pressure noise (QRPN) in an optomechanical cavity at room temperature over a broad range of frequencies relevant to gravitational-wave detectors. We show that QRPN drives the motion of a high-reflectivity single-crystal microresonator, which serves as one mirror of a Fabry-Perot cavity. In our measurements QRPN dominates over all other noise between 10 kHz and 50 kHz and scales as expected with the circulating power inside the cavity. The thermal noise of the microresonator, the largest noise source next to the QRPN, is measured and shown to agree with a structural damping model from 200 Hz to 30 kHz. By observing the effects of QRPN in the audio-band, we now have a testbed for studying techniques to mitigate back-action, such as variational readout and squeezed light injection, that could be used to improve the sensitivity of gravitational-wave detectors.

研究动机与目标

• 在室温下于宽广的音频频段内，观测宏观机械振荡器中的量子辐射压噪声（QRPN）。
• 证明在10–50 kHz范围内，QRPN超过热噪声与经典噪声源，确认其作为引力波探测器中基本极限的作用。
• 建立一个室温实验平台，用于实验验证与引力波探测相关的量子噪声抑制策略，如可变读出与压缩态光注入。
• 测量并建模QRPN随光功率的变化规律，确认在非共振、宽带配置下与量子理论的一致性。
• 排除激光加热与环境扰动等经典噪声源作为观测噪声的起源，从而隔离出信号的量子起源。

提出的方法

• 采用单晶GaAs/AlGaAs微型谐振腔作为法布里-珀罗腔的一个镜面，通过悬挂方式最小化地震与热耦合。
• 将波长为1064 nm的激光注入腔体，并通过双环幅值与相位调制伺服系统稳定输入光功率。
• 通过光电探测器（PD_M）检测反射光束，测量微型谐振腔的运动，信号送至频谱分析仪进行噪声分析。
• 在2–90 kHz范围内测量位移噪声谱，对散粒噪声、热噪声与QRPN进行建模，并与实测数据对比。
• 采用传递函数校准方法将光电探测器电压转换为物理位移，通过重复测量量化测量不确定性。
• 采用结构阻尼模型对热噪声进行建模，并通过在高功率下低频热噪声变化极小的现象，排除激光加热的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在室温下于宽广的音频频段内观测到宏观机械振荡器中的量子辐射压噪声？
• RQ2 所测QRPN是否如量子理论预测的那样，随光功率的平方根增长？
• RQ3 在10 kHz至50 kHz范围内，QRPN是否为最主要的噪声源，且超过热噪声与经典噪声贡献？
• RQ4 能否排除激光加热或环境振动等经典噪声源作为观测噪声的起源？
• RQ5 该系统能否作为引力波探测器相关量子噪声抑制技术的可行实验平台？

主要发现

• 在10 kHz至50 kHz频段内，量子辐射压噪声（QRPN）主导了微型谐振腔的运动，超过该频段内所有其他噪声源。
• 实测QRPN与光功率的平方根成正比，与量子噪声理论预测一致。
• 热噪声为第二大噪声源，在200 Hz至30 kHz频段内可由结构阻尼模型良好描述。
• 在20 kHz处，高功率与低功率下的噪声水平增加约两倍，但该现象并非由激光加热引起，因为低频热噪声仅增加2%，在测量不确定度范围内。
• 所有四组位移噪声测量结果均排除无QRPN的模型，以统计显著性确认了QRPN的存在。
• 该系统在室温下的位移噪声水平已接近标准量子极限的五倍以内，为通过低温冷却实现亚标准量子极限（sub-SQL）运行铺平了道路。