[论文解读] Observation of Optomechanical Quantum Correlations at Room Temperature

Thomas Purdy, Karen E. Grutter+2 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2016

Mechanical and Optical Resonators参考文献 34被引用 8

一句话总结

该论文通过交叉相关技术，从主导的热噪声中分离出光机械量子关联，在室温下实现了对纳米机械谐振器中量子反作用的观测。通过测量热关联与量子关联振幅的比值，作者以量子常数为参考提取温度，实现了一种芯片集成的、基于量子校准的温度计。

ABSTRACT

By shining laser light through a nanomechanical beam, we measure the beam's thermally driven vibrations and perturb its motion with optical forces at a level dictated by the Heisenberg measurement-disturbance uncertainty relation. Such quantum backaction is typically difficult to observe at room temperature where the motion driven by optical quantum intensity fluctuations is many orders of magnitude smaller than the thermal motion. We demonstrate a cross-correlation technique to distinguish optically driven motion from thermally driven motion, observing this quantum backaction signature up to room temperature. While it is often difficult to absolutely calibrate optical detection, we use the scale of the quantum correlations, which is determined by fundamental constants, to gauge the size of thermal motion, demonstrating a path towards absolute thermometry with quantum mechanically calibrated ticks.

研究动机与目标

• 在热噪声通常掩盖量子效应的室温宏观机械系统中，检测量子反作用。
• 开发一种方法，从光机械系统中巨大的热噪声和测量噪声中分离出微弱的量子关联。
• 展示一种基于量子关联与基本常数参考的绝对测温路径。
• 验证量子测量反作用——根据海森堡不确定性原理预测——可在室温下的纳米机械谐振器中被观测到。
• 建立一种可扩展的芯片集成温度计，其校准基于量子力学而非经验标准。

提出的方法

• 利用光学外差检测测量输出光的振幅和相位正交分量，从而获得完整量子关联谱的访问。
• 采用相位差为 π/2 的正交分量之间的交叉相关技术，利用光机械耦合的相位依赖性，将量子反作用与热运动分离。
• 使用光机械哈密顿动力学模型，包括辐射压力散粒噪声（RPSN）和热力波动，推导关联谱。
• 应用涨落-耗散定理，将热力功率与温度关联，通过关联振幅的比值实现测温。
• 使用对称化关联谱 $ S_{\frac{\theta}{4},\frac{\theta}{4}+\frac{\theta}{2}}(\nu) $ 提取热和量子贡献，其比值 $ \mathrm{Re}\{S_{\frac{\pi}{4},\frac{3\pi}{4}}\}/\mathrm{Im}\{S_{\frac{\pi}{4},\frac{3\pi}{4}}\} $ 给出 $ \coth(\hbar\omega/2k_B T) $。
• 使用基本常数（普朗克常数、玻尔兹曼常数）对系统进行校准，实现无需外部校准的绝对温度测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在热噪声占主导地位的室温纳米机械谐振器中，能否观测到量子反作用？
• RQ2 交叉相关技术能否有效分离由量子诱导的机械运动与热驱动的运动？
• RQ3 热关联与量子关联谱振幅的比值是否能通过 $ \coth $ 函数准确反映热力学温度？
• RQ4 该方法能否作为基于量子常数的原级温度标准的基础？
• RQ5 所观测到的量子关联大小是否与海森堡测量扰动不确定性关系的预测一致？

主要发现

• 尽管量子反作用引起的机械运动幅度比热运动小几个数量级，但在室温下仍可观测到其表现形式——即由辐射压力散粒噪声引起的光学诱导机械运动。
• 热交叉关联实部 $ \mathrm{Re}\{S_{\frac{\pi}{4},\frac{3\pi}{4}}\} $ 与量子交叉关联虚部 $ \mathrm{Im}\{S_{0,\frac{\pi}{2}}\} $ 的比值与 $ \coth(\hbar\omega/2k_B T) $ 的依赖关系一致，证实了其量子起源。
• 基于关联比值测得的温度与独立测量值在实验不确定度范围内一致，验证了量子校准测温方法的有效性。
• 量子关联幅度与基于基本常数的理论预测一致，证实系统处于量子工作区域。
• 该方法实现了芯片级绝对测温，其校准本质上基于量子力学，与经验标准无关。
• 即使在弱探测功率条件下（测量反作用最小），该技术仍可通过关联光谱检测到反作用，保持有效性。