[论文解读] Quantum optomechanics of a two-dimensional atomic array

Ephraim Shahmoon, Mikhail D. Lukin+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2018

Mechanical and Optical Resonators被引用 4

一句话总结

本文提出将二维原子阵列作为一种新颖的量子光力学平台，利用其近乎完美的反射率和超轻的机械质量，实现在无腔体条件下的强光力学耦合。在连续波激光照射下，集体原子运动在散射光谱中产生多个边带，并诱导出显著的时空量子噪声压缩，展示了无需腔体的非线性量子光力学新途径，具有高机械敏感度。

ABSTRACT

We demonstrate that a two-dimensional (2D) atomic array can be used as a novel platform for quantum optomechanics. Such arrays feature both nearly-perfect reflectivity and ultra-light mass, leading to significantly-enhanced optomechanical phenomena. Considering the collective atom-array motion under continuous laser illumination, we study the nonlinear optical response of the array. We find that the spectrum of light scattered by the array develops multiple sidebands, corresponding to collective mechanical resonances, and exhibits nearly perfect quantum-noise squeezing. Possible extensions and applications for quantum nonlinear optomechanics are discussed.

研究动机与目标

• 探索利用二维囚禁原子阵列实现无腔体系统的量子光力学。
• 解决在宏观系统中实现强光力学耦合且机械零点运动最小化的挑战。
• 证明二维原子阵列中的集体原子运动可导致散射光中的非线性光学响应和量子关联。
• 建立二维原子阵列与标准腔体光力学在低品质因子腔、未分辨边带区域之间的映射关系。
• 研究在输出光中生成大范围时空压缩的潜力，从而开启少光子量子光力学的新领域。

提出的方法

• 将二维原子阵列建模为在二维晶格中固定横向位置、纵向围绕平衡位置振动的两能级原子系统。
• 采用量子力学方法描述通过偶极-偶极相互作用和辐射压力引起的光致集体原子运动。
• 通过有效光力学耦合常数，将系统映射到低品质因子腔、未分辨边带区域的标准腔体光力学模型。
• 利用输入-输出理论推导散射光谱，考虑非线性光力学响应和集体机械模态的影响。
• 利用布居变换和输出场算符的对易关系，分析输出场的量子噪声与关联特性。
• 证明即使在反射率非完美的情况下，通过平衡双侧照明可实现最优压缩，其原理是抵消输入端口的真空噪声。

实验结果

研究问题

• RQ1 二维囚禁原子阵列能否作为强量子光力学的无腔体平台？
• RQ2 在连续波激光照射下，集体原子运动如何导致散射光谱中出现非线性光学边带？
• RQ3 该系统散射光中可实现的量子噪声压缩程度如何？其与机械共振频率的关系是什么？
• RQ4 是否可在不依赖近乎完美反射率的前提下，通过平衡双侧照明方案实现最优压缩？
• RQ5 该系统行为如何映射到标准腔体光力学？其对非线性和少光子量子光力学有何启示？

主要发现

• 在合作共振频率下，二维原子阵列表现出近乎完美的反射率，实现强光-物质相互作用且透射极小。
• 由于偶极-偶极相互作用，集体机械模态出现，导致散射光谱中对应于这些共振的多个边带。
• 输出光表现出显著的时空量子噪声压缩，压缩程度接近完美量子噪声抑制。
• 该系统可有效映射到标准腔体光力学的低品质因子、未分辨边带区域，验证其作为基准平台的有效性。
• 即使在反射率非完美时，通过平衡双侧照明方案仍可实现与理想情况相同的最优压缩，其机制是抵消输入端口的真空噪声。
• 尽管在共振附近绝热消去近似出现形式上的失效，由于问题区域的宽度极窄，压缩仍保持鲁棒且清晰可辨。