[论文解读] Squeezing of a nanomechanical oscillator

Sumei Huang, G. S. Agarwal|ArXiv.org|May 26, 2009

Force Microscopy Techniques and Applications参考文献 1被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种在分辨边带 regime 下，通过向法布里-珀罗腔注入宽带压缩真空光和激光，实现纳米机械振子大动量压缩的方案。基于量子光力学理论，研究表明当压缩参数 r ≈ 1 时，可实现超过 70% 的动量压缩；在 1 mK 温度下，动量涨落相比热噪声降低超过 100 倍。

ABSTRACT

We show that squeezing of a nanomechanical mirror can be generated by injecting broad band squeezed vacuum light and laser light into the cavity. We work in the resolved sideband regime. We find that in order to obtain the maximum momentum squeezing of the movable mirror, the squeezing parameter of the input light should be about 1. We can obtain more than 70% squeezing. Besides, for a fixed squeezing parameter, decreasing the temperature of the environment or increasing the laser power increases the momentum squeezing. We find very large squeezing with respect to thermal fluctuations, for instance at 1 mK, the momentum fluctuations go down by a factor more than one hundred.

研究动机与目标

• 展示一种在外部压缩光和激光泵浦下，生成纳米机械镜大动量压缩的实用方法。
• 研究环境温度、激光功率和输入压缩参数对动量压缩程度的影响。
• 表明腔内辐射压力耦合可显著降低动量涨落至标准量子极限以下，尤其在低温条件下。
• 提供一种可扩展的方案，用于在宏观机械系统中生成非经典态，适用于量子传感和信息处理。

提出的方法

• 将纳米机械镜建模为在分辨边带 regime 下通过辐射压力与受驱动光学腔耦合的量子谐振子。
• 使用包含腔场能量、镜面动能与势能、与 optomechanical 耦合（正比于 g）以及通过复振幅 ε 输入的激光的哈密顿量。
• 推导包含位置 Q 和动量 P 的镜面以及腔场算符 c 的量子朗之万方程，引入来自压缩真空和激光的输入噪声项。
• 利用线性化动力学和输入-输出理论，计算稳态平均值与涨落，重点关注动量方差 ⟨δP̃²⟩。
• 在频率 ωS 处引入压缩真空输入，压缩参数为 r，通过在腔输入场 cin 中引入非经典噪声项进行建模。
• 通过数值模拟 ⟨δP̃²⟩，分析动量压缩对失谐 Δ₀、温度 T、激光功率 ℘ 和压缩参数 r 的依赖关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过向腔内注入激光光和宽带压缩真空光来生成纳米机械镜的动量压缩？
• RQ2 为使镜面动量压缩最大化，输入光的最优压缩参数 r 是多少？
• RQ3 环境温度如何影响可实现的动量压缩程度？
• RQ4 增加激光功率是否能补偿更高的热噪声，从而实现可观测的压缩？
• RQ5 与无耦合情况相比，辐射压力耦合如何降低动量涨落？

主要发现

• 当压缩参数 r ≈ 1 时，纳米机械镜的动量压缩可达到约 75%，对应零温下最小动量方差为 0.252。
• 在 1 mK 时，镜面动量涨落相比热涨落降低超过 100 倍，表明相对于热背景实现了极端压缩。
• 将环境温度从 10 mK 降低至 0 K，最小动量方差从 3.919 降至 0.252，证实更低温度可增强压缩效果。
• 将激光功率从 0.6 mW 增加至 6.9 mW，可使最小动量方差从 10 mK 时的 3.919 降至 0.731，表明更高功率可克服热噪声并实现压缩。
• 即使在高温下，辐射压力耦合下的动量方差始终显著低于无耦合情况。
• 当腔体失谐使得辐射压力耦合能最优地调节镜面的有效阻尼和噪声谱时，动量压缩达到最大值。