[论文解读] Optimal quantum control of mechanical motion at room temperature: ground-state cooling

Lorenzo Magrini, Philipp Rosenzweig+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2020

Quantum Information and Cryptography被引用 15

一句话总结

该论文展示了对室温下光学捕获纳米颗粒的实时最优量子控制，采用量子极限位置探测与卡尔曼滤波进行状态估计。该方法实现了基态冷却，平均占据数为 $ n = 0.56 \pm 0.02 $，即使在热噪声主导的条件下，仍能将机械振子稳定在量子基态附近。

ABSTRACT

The ability to accurately control the dynamics of physical systems by measurement and feedback is a pillar of modern engineering. Today, the increasing demand for applied quantum technologies requires to adapt this level of control to individual quantum systems. Achieving this in an optimal way is a challenging task that relies on both quantum-limited measurements and specifically tailored algorithms for state estimation and feedback. Successful implementations thus far include experiments on the level of optical and atomic systems. Here we demonstrate real-time optimal control of the quantum trajectory of an optically trapped nanoparticle. We combine confocal position sensing close to the Heisenberg limit with optimal state estimation via Kalman filtering to track the particle motion in phase space in real time with a position uncertainty of 1.3 times the zero point fluctuation. Optimal feedback allows us to stabilize the quantum harmonic oscillator to a mean occupation of $n=0.56\pm0.02$ quanta, realizing quantum ground state cooling from room temperature. Our work establishes quantum Kalman filtering as a method to achieve quantum control of mechanical motion, with potential implications for sensing on all scales.

研究动机与目标

• 将实时最优量子控制扩展至室温下的机械系统，其中热噪声占主导地位。
• 通过基于测量的反馈实现机械振子的基态冷却。
• 在宏观机械系统中实现量子极限位置探测与通过卡尔曼滤波进行最优状态估计。
• 证明先前用于原子和光学系统的量子控制技术可成功适配于介观机械运动。

提出的方法

• 采用共焦位置探测，实现位置不确定度为零点涨落的1.3倍，接近海森堡极限。
• 应用卡尔曼滤波对纳米颗粒相空间轨迹进行实时最优状态估计。
• 基于估计状态实施反馈控制回路，以稳定机械振子。
• 采用专为最小化谐振子平均占据数而设计的反馈算法。
• 结合高保真测量与最优估计，抑制热涨落并实现系统冷却。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在室温机械系统中，利用量子极限测量实现实时最优量子控制？
• RQ2 卡尔曼滤波在宏观机械振子中能在多大程度上实现精确的状态估计以支持反馈控制？
• RQ3 在室温下，通过反馈控制，机械系统可达到的最低平均占据数是多少？
• RQ4 为原子和光学系统开发的量子控制技术能否成功应用于机械运动？

主要发现

• 系统实现了平均占据数为 $ n = 0.56 \pm 0.02 $ 量子，证明了从室温下实现基态冷却。
• 位置不确定度测量为零点涨落的1.3倍，表明接近海森堡极限的探测性能。
• 卡尔曼滤波实现了对纳米颗粒运动在相空间中的实时、最优状态估计。
• 反馈控制成功抑制了热运动，将振子稳定在量子基态附近。