[论文解读] Suppressing Recoil Heating in Levitated Optomechanics Using Squeezed Light

Carlos Gonzalez-Ballestero, Joanna A. Zielińska+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2022

Mechanical and Optical Resonators被引用 1

一句话总结

本文提出通过用压缩光照射纳米颗粒来抑制悬浮光力学中的激光反冲加热，从而减少散射光子关于粒子运动所携带的信息。通过调控入射光的量子态，作者表明在模式匹配的压缩光下，反冲加热可减少高达98%，从而实现更长的量子相干时间，并实现超越标准量子极限的反馈冷却。

ABSTRACT

We theoretically show that laser recoil heating in free-space levitated optomechanics can be arbitrarily suppressed by shining squeezed light onto an optically trapped nanoparticle. The presence of squeezing modifies the quantum electrodynamical light-matter interaction in a way that enables us to control the amount of information that the scattered light carries about a given mechanical degree of freedom. Moreover, we analyze the trade-off between measurement imprecision and back-action noise and show that optical detection beyond the standard quantum limit can be achieved. We predict that, with state-of-the-art squeezed light sources, laser recoil heating can be reduced by at least 60% by squeezing a single Gaussian mode with an appropriate incidence direction, and by 98% by squeezing a properly mode-matched mode. Our results, which are valid both for motional and librational degrees of freedom, will lead to improved feedback cooling schemes as well as boost the coherence time of optically levitated nanoparticles in the quantum regime.

研究动机与目标

• 解决激光反冲加热作为光学悬浮纳米颗粒中量子相干性的基本限制问题。
• 探讨压缩光是否可通过调控光-物质相互作用中的信息流来减少测量反作用。
• 在无腔、自由空间光力学系统中实现超越标准量子极限的反馈冷却。
• 将非经典光技术从基于腔体的系统扩展至自由空间悬浮光力学系统。
• 展示对质心运动和摆动自由度的反冲加热抑制效果。

提出的方法

• 使用集体电磁模式基矢，推导在压缩真空态存在下的光-物质哈密顿量的理论表达式。
• 建模由于压缩导致的散射图案改变（信息辐射图案），其改变了散射光子的角分布和偏振依赖性。
• 推导光检测的输入-输出关系，以计算在非经典照明下可检测的最小机械信号。
• 分析测量不精确性与反作用噪声之间的权衡关系，作为压缩参数的函数。
• 将形式化方法扩展至非球形纳米颗粒的摆动（转动）自由度。
• 使用优化入射方向的高斯模压缩光，以最大化反冲加热的抑制效果。

实验结果

研究问题

• RQ1 压缩光能否减少散射光子关于纳米颗粒机械运动所携带的信息？
• RQ2 在自由空间悬浮光力学中，利用非经典光可将激光反冲加热抑制到何种程度？
• RQ3 压缩光是否能在无腔光力学系统中实现超越标准量子极限的光学探测？
• RQ4 在悬浮系统中，压缩光是否能增强反馈冷却，使其低于标准量子极限？
• RQ5 模式匹配和入射角如何影响反冲加热抑制的程度？

主要发现

• 当单个高斯模以最优入射方向被压缩时，压缩光可将激光反冲加热至少减少60%。
• 通过适当的模式匹配，利用最先进的压缩光源，反冲加热可被抑制高达98%。
• 抑制效应源于散射光子关于机械自由度所携带信息的减少，其由压缩引起的量子电动力学修正所介导。
• 光学探测灵敏度可超越标准量子极限，从而实现增强的反馈冷却和更低的可实现温度。
• 该结果对光学捕获纳米颗粒的质心运动和摆动（转动）自由度均有效。
• 该方法可实现更长的量子相干时间，并为自由空间悬浮系统中实现基态冷却和宏观量子实验铺平道路。