[论文解读] Performing a Quantum Non-Demolition Measurement of the Energy of a Nano-Mechanical Resonator Without a Non-Demolition Probe

Kurt Jacobs, Pavel Lougovski+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2006

Mechanical and Optical Resonators被引用 1

一句话总结

本文提出了一种通过将纳米机械谐振器耦合到两能级系统（库珀对盒）和超导传输线谐振器，实现对其能量连续测量的方法，无需专用的QND探测器即可实现量子非破坏性（QND）测量。该技术可将谐振器投影至其能量本征态，通过线性耦合揭示其量子行为。

ABSTRACT

We show that it is possible to perform a continuous measurement that continually projects a nano-resonator into its energy eigenstates by employing a linear coupling with a two-state system. This technique makes it possible to perform a measurement that exposes the quantum nature of the resonator by coupling it to a Cooper-pair Box and a superconducting transmission-line resonator.

研究动机与目标

• 开发一种连续测量协议，将纳米机械谐振器投影至其能量本征态。
• 仅通过线性耦合，实现对谐振器能量的量子非破坏性（QND）测量。
• 通过避免使用独立的QND探测器，揭示谐振器的量子特性。
• 利用库珀对盒和超导传输线谐振器作为测量平台，实现该测量。

提出的方法

• 通过非简并相互作用，将纳米机械谐振器线性耦合至两能级系统（库珀对盒）。
• 超导传输线谐振器介导了谐振器与两能级系统之间的耦合。
• 系统被驱动，使得测量结果能够连续追踪谐振器的能量本征态。
• 测量过程是连续的，并通过与两能级系统的相互作用，将谐振器投影至能量本征态。
• 线性耦合通过保持被测量可观测量（能量）在重复测量中的不变性，实现了QND测量。
• 该协议避免了对额外探测场的需求，而是依赖于与两能级系统的内在耦合。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不使用外部探测场的情况下，实现对纳米机械谐振器能量的连续量子非破坏性测量？
• RQ2 线性耦合至两能级系统如何实现对能量本征态的投影？
• RQ3 库珀对盒在介导QND测量中扮演何种角色？
• RQ4 能否通过该耦合方案揭示谐振器的量子特性？
• RQ5 是否仅通过谐振器、两能级系统及传输线谐振器即可实现QND测量？

主要发现

• 该系统通过与两能级系统的线性耦合，实现了对纳米机械谐振器能量本征态的连续投影。
• 该测量具有量子非破坏性特性，能量本征态在整个过程中保持不变。
• 谐振器的量子行为通过与库珀对盒及传输线谐振器的耦合得以揭示。
• 该方案无需额外的探测场，简化了实验装置。
• 线性耦合机制成功通过保持被测量可观测量的相干性，实现了QND测量。
• 该协议展示了一条利用超导电路观测宏观机械系统中量子效应的可行路径。