Άρθρο | ΑΝΟΙΓΜΑ | Που δημοσιεύθηκε:07 Μαΐου 2019 Οπτική αντίστροφη αντίσταση-αποφυγή μέτρησης ενός μηχανικού ταλαντωτή Itay Shomroni ,Qiu Liu ,Daniel Malt ,Ανδρέας Nunnenkamp &Tobias J. Kippenberg Φύση Επικοινωνιών 10 , Αριθμός είδους: 2086 ( 2019 ) | Κατεβάστε την παραπομπή Αφηρημένη Η κβαντομηχανική επιβάλλει ένα όριο στην ακρίβεια μιας συνεχούς μέτρησης θέσης ενός αρμονικού ταλαντωτή, λόγω της αντίδρασης που προκύπτει από κβαντικές διακυμάνσεις στο πεδίο μέτρησης. Αυτό το πρότυπο οριακό όριο μπορεί να ξεπεραστεί με την παρακολούθηση μόνο ενός από τα δύο τετραγώνων μη κίνησης της κίνησης, που είναι γνωστά ως μετρήσεις αποφυγής παρεμβάσεων. Αυτή η τεχνική δεν έχει υλοποιηθεί μέχρι σήμερα με οπτικά συμβολόμετρα. Εδώ παρουσιάζουμε, σε ένα οπτομηχανικό σύστημα κοιλοτήτων που λειτουργεί στον οπτικό τομέα, μία συνεχής, διπλής τάσης αντίστροφη μέτρηση, η οποία μετριάζει έναν εντοπισμένο μηχανικό τρόπο συχνότητας gigahertz ενός νανοσωματικού φωτονικού κρυστάλλου κρυογονικά και οπτομηχανικά ψύχεται κοντά στην κατάσταση του εδάφους. Χρησιμοποιώντας την κβαντο-περιορισμένη οπτική ετεροδυνο-ανίχνευση, δείχνουμε ρητά τη μετάβαση από τη συμβατική προς τη μέτρηση αποφυγής παρεμβάσεων. Παρατηρούμε μείωση του συνολικού θορύβου μέτρησης έως και 0,67 dB (14%), αποδεικνύοντας έτσι τη βιωσιμότητα μετρήσεων αποφυγής παρεμβολής σε νανομηχανικές αντηχεία για οπτικές υπερευαισθητικές μετρήσεις κίνησης και δύναμης. Εισαγωγή Σε μία συνεχή μέτρηση της θέσης \ (\ καπέλο χ \) ενός αρμονικού ταλαντωτή, κβαντική backaction (QbA) του αισθητήρα μέτρησης σχετικά με την ορμή \ (\ καπέλο ρ \) τελικά περιορίζει η εφικτή ακρίβεια 1 , 2 , περιορίζοντας υπερευαίσθητη μετρήσεις της δύναμης ή της κίνησης. Για μια μέτρηση ιντερφερόμενης θέσης, στην οποία ένας μηχανικός ταλαντωτής συνδέεται παραμετρικά με μια κοιλότητα, ο αντίκτυπος που προκύπτει από τη μη ακριβή μέτρηση (δηλαδή, ο θόρυβος του πυροβολικού του ανιχνευτή) και ο θόρυβος δύναμης QBA στον μηχανικό ταλαντωτή, επιβάλλει ελάχιστο θόρυβο ισοδύναμο προς διακυμάνσεις μηδενικού σημείου ταλαντωτή, \ (χ _ {\ mathrm {zpf}} = \ sqrt {\ hbar {\ mathrm {/}} 2m \ Omega _ {\ mathrm {m}}} \), που αναφέρεται ως πρότυπο κβαντικό όριο (SQL), που μελετήθηκε αρχικά στο πλαίσιο της ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων 1 , 3 (εδώ m είναι η μάζα και Ω m η γωνιακή συχνότητα του μηχανικού ταλαντωτή). Οι πρόσφατες εξελίξεις στον τομέα της οπτομηχανικής κοιλότητας 4 , η οποία χρησιμοποιεί έναν νανο- ή μικρομηχανικό ταλαντωτή συζευγμένο με μια οπτική ή υπεραγώγιμη μικροκυματική κοιλότητα, επέτρεψαν την επίτευξη του καθεστώτος όπου η QBA που προκύπτει από τις κβαντικές διακυμάνσεις της πίεσης ακτινοβολίας καθίσταται σχετική. Ειδικότερα, ο θόρυβος ανακρίβειας πολύ κάτω από αυτόν της SQL έχει ληφθεί 5 , 6 , εισάγοντας έτσι το καθεστώς που κυριαρχείται από το QBA. Έχει παρατηρηθεί QBA 7 ,8 , 9 και οι ευαισθησίες που πλησιάζουν την SQL έχουν αποδειχθεί 9 , 10 , 11 , 12 . Οι τεχνικές της κβαντικής μη κατεδάφισης (QND), που προτάθηκαν αρχικά από τους Thorne, Braginsky και συνεργάτες 13 , 14 , 15 , επιτρέπουν την εξουδετέρωση της SQL ελαχιστοποιώντας ή αποφεύγοντας τις επιπτώσεις του QBA. Μια τεχνική για να ξεπεράσει την SQL, η οποία εφαρμόζεται σε μετρήσεις μακριά από τη συχνότητα μηχανικού συντονισμού Ω m , χρησιμοποιεί κβαντικές συσχετίσεις στον ανιχνευτή (λόγω της συμπίεσης 16 , 17 , 18 , 19 ), γνωστή ως "μεταβλητή ανάγνωση" 20 , 21 . Αυτή η τεχνική έχει πρόσφατα καταδειχθεί σε έναν κρυογονικό μικρομηχανικό ταλαντωτή συζευγμένο με μια οπτική κοιλότητα 22και σε ένα νανο-οπτομηχανικό σύστημα θερμοκρασίας δωματίου για κβαντικές μετρήσεις δύναμης 23 . Μια άλλη δυνατότητα είναι η χρήση συμπιεσμένου φωτός, μια τεχνική που εφαρμόζεται στους ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων 21 , 24 , 25 . Τα πιό πρόσφατα σχήματα περιλαμβάνουν μετρήσεις της συλλογικής κίνησης σε ένα υβριδικό σύστημα που αποτελείται είτε από δύο μηχανικούς ταλαντωτές (όπως αποδεικνύεται για ένα ηλεκτρομηχανικό σύστημα 26 , 27 ) είτε έναν ταλαντωτή μηχανικής και αρνητικής μάζας (που αποδείχθηκε χρησιμοποιώντας ένα ατομικό σύνολο 28 , 29 ) . Ένας άλλος τύπος μετρήσεων QND, μετρήσεις παρεκτροπής-απόρριψης (BAE) που εισήγαγε ο Thorne et al. 13 , επιτρέπουν την αποφυγή του QBA εξ ολοκλήρου μετρώντας μόνο ένα από τα δύο βραδέως μεταβαλλόμενα πλάτη και φάσεις τετραγώνων και , που ορίζονται από , τα οποία αποτελούν παρατηρήσιμα QND. Αντίθετα από τα και , τα συζευκτικά παρατηρητικά και αποσυνδέονται το ένα από το άλλο κατά την ελεύθερη δυναμική εξέλιξη. Με την αποκλειστική μέτρηση του𝑋̂ 𝑌̂ 𝑥̂ ( 𝑡 ) ≡ 2~√𝑥z p f[ 𝑋̂ ( 𝑡 ) cosΩm𝑡 + 𝑌̂ ( 𝑡 ) αμαρτίαΩm𝑡 ]𝑥̂ 𝑝̂ 𝑋̂ 𝑌̂ 𝑋̂ , π.χ., όλα τα QBA εκτρέπονται στο και απουσιάζουν εντελώς από το αρχείο μέτρησης. Με την αύξηση της σύζευξης στο σύστημα (δύναμη καθετήρα), μπορεί κανείς να μειώσει αυθαίρετα το θόρυβο της ακρίβειας, επιτρέποντας κατ 'αρχήν απεριόριστη ευαισθησία στη μέτρηση ενός τετραγώνου. Σε ένα οπτομηχανικό σύστημα κοιλοτήτων, αυτή η μέτρηση BAE είναι δυνατή με τη διαμόρφωση εύρους ενός ανιχνευτή συντονισμού κοιλοτήτων στη συχνότητα Ω m 14 , 15 , 30 , που ισοδυναμεί με διερεύνηση δύο τόνων στις άνω και κάτω μηχανικές πλευρικές ζώνες της κοιλότητας. Έχει επισημανθεί 22 ότι η μέτρηση μονού τετραγωνισμού μπορεί επίσης να πραγματοποιηθεί με τη χρήση ανίχνευσης synodyne 31𝑌̂ . Δύο τόνοι BAE ισχύουν για το καλά επιλυμένο καθεστώς πλευρικής ζώνης , όπου είναι το εύρος γραμμής κοιλότητας. Στο αντίθετο καθεστώς μιας ταχείας κοιλότητας , πρέπει να στραφούν σε στροβοσκοπικές μετρήσεις QND, απαιτώντας χρόνους αλληλεπίδρασης (αναφορές 1 , 14 ).Ωm≫𝜅𝜅𝜅≫Ωm≪Ω−1m Μέχρι σήμερα, τέτοιες μετρήσεις διπλού τόνου ΒΑΕ έχουν αποδειχθεί αποκλειστικά σε οπτομηχανικά συστήματα μικροκυμάτων 32 , 33 , όπου έχουν επίσης χρησιμοποιηθεί για την πραγματοποίηση τομογραφίας καταστάσεων που παράγονται από σχήματα που παράγουν συμπιεσμένα σκεύη 34 , 35 , 36 , 37 , 38 και εμπλέκονται 39 , 40 μηχανικές καταστάσεις. Ωστόσο, σε όλα αυτά τα πειράματα, ο θόρυβος που προέκυψε από τη χρήση ενισχυτών μικροκυμάτων σε αυξημένες θερμοκρασίες είχε ως αποτέλεσμα την ουσιαστικά μειωμένη αποτελεσματικότητα και την παρεμπόδιση του SQL 33. Επιπλέον, ο θερμικός θόρυβος στις συχνότητες μικροκυμάτων μπορεί να είναι αμελητέος ακόμη και σε κρυογονικές θερμοκρασίες και απαιτεί προσεκτική βαθμονόμηση 41 . Αντίθετα, η οπτική ανίχνευση ομοδιενίου ή ετεροδυίνης είναι κβαντικά περιορισμένη και το φως είναι λουτρό μηδενικής θερμοκρασίας, επιτρέποντας τις αυτο-βαθμονομημένες μετρήσεις της κίνησης 42 , 43 , 44 . Τα οπτομηχανικά συστήματα που χρησιμοποιούν φως λέιζερ έχουν επιδείξει κβαντικά αποτελέσματα μέχρι τη θερμοκρασία δωματίου 23 , 45 . Παρά την πρόοδο της λειτουργίας στο καθεστώς που κυριαρχείται από το QBA στην οπτομηχανική κοιλότητας, δεν έχουν αναφερθεί μετρήσεις BAE στον οπτικό τομέα. Εδώ παρουσιάζουμε μια μέτρηση ΒΑΕ δύο τόνων στον οπτικό τομέα ενός ταλαντωτή σε θερμική κατάσταση, χρησιμοποιώντας την κβαντο-περιορισμένη ανισομετρική ανίχνευση (BHD). Παρατηρούμε ρητά τη μείωση του θερμομηχανικού θορύβου λόγω ακύρωσης του QBA από τους ανιχνευτές μέτρησης. Αναλύουμε την επίδραση της εξωτερικής θέρμανσης λόγω της οπτικής απορρόφησης, η οποία περιορίζει την εφικτή ευαισθησία στο παρόν δείγμα. Αποτελέσματα Θεωρητικό μοντέλο Εμείς πρώτα να εξετάσει θεωρητικά το σενάριο που απεικονίζεται στο Σχ. 1 b-d , στην οποία ένα οπτικομηχανικού σύστημα κοιλότητα ανακρίνεται με δύο τόνους αποσυντονιστεί από από το ο συντονισμός των κοιλοτήτων και οι δύο πλευρικές ζώνες ανιχνεύονται χρησιμοποιώντας BHD. Ο μηχανικός ταλαντωτής βρίσκεται σε θερμική κατάσταση με μέση κατοχή . Στην περίπτωση ενός κβαντικού περιορισμένη λέιζερ, στο καλά επιλυθεί καθεστώς πλευρικής ζώνης , και εντός της προσεγγίσεως περιστρεφόμενου κύματος (RWA), η μετρούμενη φωτορεύματος η φασματική πυκνότητα ισχύος (PSD) δίνεται από το τμήμα (Μέθοδοι)±(Ωm+𝛿)𝑛¯Ωm≫𝜅 𝑆¯𝐼𝐼( ω ) = 1+ η Γ2ε στφα[ 𝑛¯||χm( ω - δ ) ||2+ ( 𝑛¯+ 1 ) ||χm( Ω + δ ) ||2+||χm( ω - δ ) - χm( Ω + δ ) ||2] , (1) όπου είναι η μηχανική ευαισθησία του ταλαντωτή με συνολικό μηχανικό εύρος γραμμής Γ eff , η συνολική αποτελεσματικότητα ανίχνευσης και η οπτομηχανική συνεταιριότητα ανάλογη με την ισχύ εισόδου. Εδώ, g 0 είναι η οπτομηχανική ισχύς σύζευξης κενού και n p ο μέσος αριθμός φωτονίων intracavity που οφείλονται σε κάθε καθετήρα.χm( ω ) = ( - 𝑖 ω + Γε στφα/ 2)- 1\ eta { \ cal {\ mathrm {}} {\ mathrm {}}} {\ mathrm {eff}}}η= 4 𝑔20𝑛Π/ κΓε στφα Εικ. 1 Φιγούρα 1 Μέθοδος αποφυγής παρεμβάσεων. μια απεικόνιση ενός οπτομηχανικού συστήματος κοιλότητας. Φως σε μια κοιλότητα με οπτικό συντονισμού ω γ και πλήρες πλάτος γραμμής κ (εκ των οποίων τους κ i είναι εγγενείς απώλειες) είναι συζευγμένη στη θέση μιας μηχανικής ταλαντωτή που έχει Ω συχνότητα m και πλάτος γραμμής Γ m . Σε μια μέτρηση παρεμποδίσεως της απόφραξης (BAE), ο ανιχνευτής ρυθμίζεται πλάτος με τη μηχανική συχνότητα Ω m , συνδέοντας το τετραγωνίδιο . b Διαμόρφωση χώρου συχνοτήτων ελαφρώς αποσυνδεδεμένη από τη μέτρηση BAE, όπου ο αισθητήρας διαμορφώνεται σε Ω m𝑥̂ \ καπέλο X \ bar n \ overline \ _ {{\ mathrm {imp}}}𝑋̂  +  δ . c Η προκύπτουσα φασματική πυκνότητα ισχύος του πεδίου εξόδου κοιλότητας για έναν ταλαντωτή σε θερμική κατάσταση (μέση κατοχή ), παρουσιάζοντας τις ασύμμετρες διασκορπισμένες πλευρικές λωρίδες Stokes και anti-Stokes, συν τη θέρμανση που οφείλεται στο QBA. d Κατά τη ρύθμιση του συστήματος BAE δ  = 0, οι δύο πλευρικές ζώνες συγχωνεύονται και το QBA ακυρώνεται, βλέπε Εξ. ( 1 ). Ο υπόλοιπος θόρυβος ακρίβειας μπορεί να μειωθεί αυθαίρετα αυξάνοντας την ισχύ του αισθητήρα𝑛¯𝑛---i m p