[论文解读] Ponderomotive light squeezing with atomic cavity optomechanics

Daniel W. C. Brooks, Thierry Botter+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2011

Mechanical and Optical Resonators参考文献 6被引用 4

一句话总结

该论文展示了在由量子涨落驱动的原子腔光力学系统中实现亚 shot-noise 的ponderomotive 压缩，仅使用低于 40 pW 的泵浦功率，实现了 26 dB 的经典光噪声衰减和 20 dB 的放大。实验实现了由量子驱动的光力学参量放大器，直接观测到量子极限压缩，并表征了频率相关的增益和相位响应。

ABSTRACT

Accessing distinctly quantum aspects of the interaction between light and the position of a mechanical object has been an outstanding challenge to cavity-optomechanical systems. Only cold-atom implementations of cavity optomechanics have indicated effects of the quantum fluctuations in the optical radiation pressure force. Here we use such a system, in which quantum photon-number fluctuations significantly drive the center of mass of an atomic ensemble inside a Fabry-Perot cavity. We show that the optomechanical response both amplifies and ponderomotively squeezes the quantum light field. We also demonstrate that classical optical fluctuations can be attenuated by 26 dB or amplified by 20 dB with a weak input pump power of < 40 pW, and characterize the optomechanical amplifier's frequency-dependent gain and phase response in both the amplitude and phase-modulation quadratures.

研究动机与目标

• 直接观测由量子涨落驱动的腔光力学系统中的 ponderomotive 压缩，克服热噪声与技术噪声带来的限制。
• 在极低泵浦功率下，利用法布里-珀罗腔中的超冷原子实现高增益、相位敏感的光力学放大器。
• 表征光力学放大器的频率相关增益和相位响应，以实现超越标准量子极限的力传感。
• 通过制备在运动基态附近的系统，验证量子光力学参量放大的理论框架。

提出的方法

• 在高精细度法布里-珀罗腔内利用光学晶格中的超冷 87 Rb 原子云，通过辐射压力使原子质心运动与腔场线性耦合。
• 采用弱光泵浦（36 pW）将系统驱动至参量放大区域，使量子涨落成为主要驱动源。
• 应用线性化光力学哈密顿量 $ H = \bar{h} g \bar{a}^\top \bar{a} (\bar{b} + \bar{b}^\top) $，将系统建模为具有增益 $ G(\nu) \triangleq \frac{(i\bar{\nu} - \triangle) s_{\text{opt}}}{\omega_s^2 - \nu^2 - i\nu \Gamma_{\text{tot}}} $ 的相位敏感放大器。
• 通过本振（LO）参考真空和空腔的本振，利用下混频检测测量光场的振幅和相位正交分量，以隔离技术噪声。
• 使用网络分析方法映射光力学增益与相位响应随频率的变化，识别出放大与衰减频带。
• 减去测量得到的散粒噪声和技术噪声（来自 LO-真空与 LO-空腔），以在功率谱密度（PSD）中分离出 ponderomotive 压缩分量。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在由量子涨落驱动而非经典驱动的腔光力学系统中直接观测到 ponderomotive 压缩？
• RQ2 在原子系统中，由量子驱动的光力学放大器的频率相关增益和相位响应为何种特性？
• RQ3 在以量子噪声为主导的系统中，仅使用低于 40 pW 的泵浦功率，对经典光噪声的衰减或放大程度可达到何种水平？
• RQ4 技术噪声与热噪声源在多大程度上限制了此类系统中量子光力学效应的观测？
• RQ5 系统能否在保持线性区域且加热最小化的前提下实现亚 shot-noise 压缩？

主要发现

• 观测到亚 shot-noise 的 ponderomotive 压缩，光力学转换噪声功率降低至 99.0 ± 0.1% 的散粒噪声水平，证实了量子极限性能。
• 仅使用低于 40 pW 的泵浦功率，实现了 26 dB 的经典光噪声衰减和 20 dB 的放大，展示了高增益参量响应。
• 系统光力学响应在每次运行的前 5 ms 内与线性谐振理论一致，测得机械共振频率 $ \omega_s = 2\pi \times 140.8 $ kHz 和机械阻尼 $ \Gamma_m = 2\pi \times 3.2 $ kHz。
• 技术噪声极低——主要为 PM 正交分量的相位噪声——在 75 kHz 以上频率对辐射压力涨落的贡献小于 1%。
• 已映射出光力学增益与相位响应的频率依赖特性，识别出与理论预测一致的显著放大与衰减频带。
• 观测到增益与响应随时间的衰减，归因于光力学加热与原子云膨胀，导致每次运行的数据采集时间限制在前 5 ms。