Luận án của Haixing Miao: Cơ học lượng tử lớn trong thiết bị optomechanical
Khám phá cơ học lượng tử vĩ mô trong thiết bị quang cơ. Nghiên cứu các hiện tượng và ứng dụng tiềm năng của lượng tử hóa ở quy mô lớn.
The University of Western Australia
Luan An
Doctoral Thesis
Năm xuất bản
Số trang
216
Thời gian đọc
33 phút
Lượt xem
0
Lượt tải
0
Phí lưu trữ
50 Point
Tổng quan nhanh
- Chủ đề:
- Nghiên cứu Cơ học lượng tử vĩ mô trong Quang cơ lượng tử
- Số trang:
- 216 trang
- Trường:
- The University of Western Australia
- Chuyên ngành:
- Physics
- Tác giả:
- Haixing Miao
- Năm:
- 2012
Tóm tắt nội dung luận án
I.Nghiên cứu Cơ học lượng tử vĩ mô trong Quang cơ lượng tử
Nghiên cứu này tập trung vào việc khám phá các nguyên lý của cơ học lượng tử vĩ mô thông qua việc sử dụng thiết bị quang cơ tiên tiến. Lĩnh vực quang cơ lượng tử đang phát triển mạnh mẽ, mở ra cánh cửa để quan sát hiệu ứng lượng tử ở quy mô lớn chưa từng có. Mục tiêu chính là vượt qua ranh giới giữa thế giới lượng tử và thế giới cổ điển, làm sáng tỏ cách các vật thể vĩ mô biểu hiện các tính chất lượng tử. Việc kiểm soát và thao tác các hệ thống này đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về tương tác ánh sáng-vật chất, đặc biệt là áp suất bức xạ. Các phát hiện trong lĩnh vực này có ý nghĩa quan trọng đối với các công nghệ tương lai, bao gồm các cảm biến cực kỳ nhạy và tính toán lượng tử.
1.1. Mục tiêu và tầm quan trọng của nghiên cứu
Nghiên cứu đặt ra mục tiêu làm rõ các hành vi lượng tử của các vật thể vĩ mô. Điều này có tầm quan trọng lớn trong việc xác nhận các lý thuyết cơ bản của cơ học lượng tử. Các thí nghiệm liên quan đến hệ thống quang cơ cung cấp một nền tảng độc đáo để kiểm tra các giới hạn của cơ học lượng tử. Việc chứng minh các trạng thái lượng tử vĩ mô không chỉ là một thành tựu khoa học mà còn mở đường cho các ứng dụng công nghệ đột phá. Hiểu được sự chuyển đổi từ lượng tử sang cổ điển là trọng tâm của nhiều cuộc tranh luận khoa học hiện nay.
1.2. Khái niệm cốt lõi của Quang cơ lượng tử
Quang cơ lượng tử nghiên cứu sự tương tác giữa ánh sáng và chuyển động cơ học. Cụ thể, nó tập trung vào việc sử dụng photon để thao tác các dao động cơ học của một vật thể. Hiện tượng ghép nối quang cơ là trọng tâm, nơi áp suất bức xạ từ ánh sáng tác động lên gương hoặc vật dao động. Sự tương tác này có thể dẫn đến làm lạnh lượng tử quang cơ của bộ dao động cơ học. Việc này giúp đưa bộ dao động vào trạng thái cơ bản lượng tử của nó. Các khái niệm này là nền tảng để tạo ra và kiểm soát các trạng thái lượng tử vĩ mô.
1.3. Vai trò của áp suất bức xạ
Áp suất bức xạ đóng vai trò trung tâm trong thiết bị quang cơ. Lực này, do ánh sáng tác dụng lên bề mặt, tạo ra sự ghép nối quang cơ giữa trường ánh sáng và chuyển động cơ học. Nó có thể được sử dụng để làm lạnh hoặc kích thích bộ dao động cơ học. Việc kiểm soát chính xác áp suất bức xạ là cần thiết để đạt được trạng thái lượng tử vĩ mô. Hiệu ứng này cũng là nguồn gốc của nhiễu lượng tử trong các máy dò độ nhạy cao. Hiểu biết sâu sắc về áp suất bức xạ là chìa khóa để khai thác tiềm năng của hệ thống quang cơ.
II.Khám phá Hiệu ứng lượng tử ở quy mô lớn với Quang cơ
Nghiên cứu này đi sâu vào việc khám phá các hiệu ứng lượng tử ở quy mô lớn bằng cách tận dụng hệ thống quang cơ. Những hệ thống này cung cấp một nền tảng độc đáo để kiểm tra các giới hạn của cơ học lượng tử. Mục tiêu là chứng minh rằng các vật thể có thể tích và khối lượng đáng kể vẫn có thể biểu hiện các hành vi lượng tử. Việc này đòi hỏi kỹ thuật cô lập và làm lạnh chính xác để loại bỏ nhiễu từ môi trường. Các thí nghiệm sử dụng thiết bị quang cơ nhạy cảm để quan sát những tương tác nhỏ nhất. Kết quả có thể định hình lại sự hiểu biết về sự sụp đổ của hàm sóng.
2.1. Đẩy lùi giới hạn của cơ học lượng tử
Công trình này đẩy lùi giới hạn về quy mô mà các hiệu ứng lượng tử có thể được quan sát. Các vật thể vĩ mô, theo trực giác cổ điển, không nên thể hiện các tính chất như chồng chập hoặc vướng víu. Tuy nhiên, quang cơ lượng tử cho phép chúng ta kiểm tra giới hạn này. Mục tiêu là tạo ra và duy trì trạng thái lượng tử vĩ mô trong các bộ dao động cơ học. Điều này đòi hỏi các hệ thống có yếu tố chất lượng (Q) cực cao và nhiệt độ cực thấp. Những nỗ lực này mở rộng lĩnh vực ứng dụng của cơ học lượng tử.
2.2. Quan sát trạng thái lượng tử trong vật thể vĩ mô
Việc quan sát trạng thái lượng tử vĩ mô là một thách thức lớn trong vật lý. Thiết bị quang cơ mang lại một con đường hứa hẹn. Chúng cho phép các nhà khoa học làm lạnh bộ dao động cơ học đến trạng thái cơ bản lượng tử. Từ đó, có thể cố gắng tạo ra các trạng thái lượng tử phi cổ điển. Ví dụ, trạng thái chồng chập của một vật thể vĩ mô có thể được dò tìm. Đây là một bước tiến quan trọng để hiểu rõ hơn về sự chuyển đổi từ lượng tử sang cổ điển. Các nghiên cứu này đang mở ra những hiểu biết mới về bản chất của thực tại.
2.3. Thách thức trong việc kiểm soát các hệ thống
Kiểm soát các hệ thống quang cơ để bộc lộ hiệu ứng lượng tử ở quy mô lớn đặt ra nhiều thách thức. Nhiễu môi trường, bao gồm rung động nhiệt và cơ học, phải được giảm thiểu tối đa. Điều này yêu cầu thiết kế hệ thống cách ly tiên tiến và kỹ thuật làm lạnh hiệu quả. Duy trì tính kết hợp lượng tử của các vật thể vĩ mô trong thời gian đủ dài cũng là một trở ngại. Độ nhạy của các phép đo cần được cải thiện để phát hiện các tín hiệu lượng tử nhỏ bé. Vượt qua những thách thức này là chìa khóa để thực hiện các thí nghiệm đột phá.
III.Tối ưu Ghép nối quang cơ và Làm lạnh lượng tử hiệu quả
Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa các kỹ thuật ghép nối quang cơ và làm lạnh lượng tử quang cơ để đạt được các trạng thái lượng tử mong muốn. Để thực hiện các thí nghiệm về cơ học lượng tử vĩ mô, việc kiểm soát chính xác sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất là điều cần thiết. Điều này bao gồm việc thiết kế các thiết bị quang cơ có hiệu suất cao và phát triển các phương pháp làm lạnh tiên tiến. Mục tiêu là đưa các bộ dao động cơ học đến trạng thái cơ bản lượng tử, nơi các hiệu ứng lượng tử ở quy mô lớn trở nên rõ rệt hơn. Việc tối ưu hóa này mở rộng khả năng thăm dò các giới hạn của cơ học lượng tử.
3.1. Kỹ thuật ghép nối quang cơ tiên tiến
Các kỹ thuật ghép nối quang cơ tiên tiến được khám phá để tăng cường tương tác ánh sáng-vật chất. Việc tăng cường sự ghép nối quang cơ là điều cần thiết để đạt được làm lạnh lượng tử quang cơ hiệu quả và để tạo ra các trạng thái lượng tử vĩ mô. Điều này liên quan đến việc sử dụng các cộng hưởng quang học và cơ học có yếu tố Q cao. Thiết kế khoang cộng hưởng quang học phải được tối ưu hóa để tối đa hóa lực áp suất bức xạ. Các nghiên cứu cũng khám phá các cấu hình ghép nối đa chế độ để cải thiện khả năng điều khiển. Những đổi mới này là yếu tố then chốt cho sự tiến bộ của lĩnh vực.
3.2. Đạt trạng thái cơ bản thông qua làm lạnh lượng tử
Đạt được trạng thái cơ bản lượng tử của một bộ dao động cơ học là một thành tựu quan trọng. Làm lạnh lượng tử quang cơ là một phương pháp hiệu quả để làm giảm nhiệt độ của bộ dao động. Kỹ thuật này sử dụng lực áp suất bức xạ để lấy năng lượng nhiệt từ hệ thống. Quá trình làm lạnh phải đủ mạnh để vượt qua nhiễu nhiệt môi trường. Khi bộ dao động ở trạng thái cơ bản, nó thể hiện các tính chất lượng tử thuần túy. Điều này tạo điều kiện cho việc nghiên cứu các hiệu ứng lượng tử ở quy mô lớn mà không bị che khuất bởi nhiễu nhiệt.
3.3. Tận dụng cộng hưởng để tăng cường tương tác
Việc tận dụng cộng hưởng quang cơ là rất quan trọng để tăng cường sự tương tác trong hệ thống quang cơ. Khi tần số ánh sáng gần với tần số cộng hưởng của khoang quang học, cường độ ánh sáng bên trong khoang tăng lên đáng kể. Điều này dẫn đến một lực áp suất bức xạ mạnh mẽ hơn tác dụng lên bộ dao động cơ học. Tương tự, cộng hưởng cơ học cũng đóng vai trò quan trọng. Sự điều chỉnh chính xác giữa các cộng hưởng này tối đa hóa ghép nối quang cơ. Điều này cho phép làm lạnh lượng tử quang cơ hiệu quả hơn và quan sát rõ ràng hơn các hiệu ứng lượng tử ở quy mô lớn.
IV.Thiết bị quang cơ Nền tảng khám phá trạng thái lượng tử
Thiết bị quang cơ đóng vai trò là nền tảng thiết yếu để khám phá trạng thái lượng tử vĩ mô. Các hệ thống này tích hợp các bộ cộng hưởng quang học và cơ học, tạo ra một môi trường lý tưởng để quan sát các hiệu ứng lượng tử ở quy mô lớn. Cấu hình thường bao gồm một gương nhỏ có khả năng dao động, được đặt bên trong một khoang cộng hưởng quang học. Ánh sáng laser được đưa vào khoang, tạo ra áp suất bức xạ tác dụng lên gương. Sự tương tác này, được gọi là ghép nối quang cơ, là chìa khóa để điều khiển và đo lường chuyển động lượng tử của vật thể vĩ mô. Việc phát triển các hệ thống quang cơ ngày càng tinh vi là trọng tâm của nghiên cứu.
4.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của thiết bị
Cấu trúc cơ bản của một thiết bị quang cơ thường bao gồm một bộ dao động cơ học nhạy cảm, thường là gương hoặc màng, được đặt bên trong một bộ cộng hưởng quang học. Ánh sáng laser được đưa vào bộ cộng hưởng, và áp suất bức xạ của ánh sáng tác dụng lên bộ dao động cơ học. Sự tương tác này làm thay đổi cả chuyển động cơ học và đặc tính của trường ánh sáng. Bằng cách điều chỉnh các thông số này, các nhà nghiên cứu có thể làm lạnh bộ dao động đến nhiệt độ lượng tử. Nguyên lý này cho phép quan sát hiệu ứng lượng tử ở quy mô lớn.
4.2. Vai trò của cộng hưởng quang cơ
Cộng hưởng quang cơ đóng một vai trò quan trọng trong việc tăng cường sự tương tác trong hệ thống quang cơ. Khi ánh sáng laser được điều chỉnh để cộng hưởng với khoang quang học, cường độ ánh sáng bên trong khoang tăng lên đáng kể. Điều này dẫn đến một lực áp suất bức xạ mạnh hơn lên bộ dao động cơ học. Sự tăng cường này là cần thiết để đạt được ghép nối quang cơ đủ mạnh. Nó cho phép làm lạnh lượng tử quang cơ hiệu quả hơn. Hơn nữa, nó giúp quan sát rõ ràng hơn các trạng thái lượng tử vĩ mô.
4.3. Đánh giá tiềm năng cho các thí nghiệm
Thiết bị quang cơ có tiềm năng to lớn cho một loạt các thí nghiệm lượng tử. Chúng có thể được sử dụng để khám phá các lý thuyết cơ học lượng tử mới, kiểm tra các giới hạn của thuyết hấp dẫn lượng tử, và phát triển các cảm biến cực kỳ nhạy. Khả năng tạo ra và kiểm soát trạng thái lượng tử vĩ mô mở ra cánh cửa cho các ứng dụng như tính toán lượng tử và truyền thông lượng tử. Việc đánh giá tiềm năng này bao gồm việc phát triển các thiết kế mới và kỹ thuật đo lường cải tiến. Đây là một lĩnh vực nghiên cứu năng động với nhiều triển vọng trong tương lai.
V.Vượt giới hạn lượng tử Áp suất bức xạ và độ nhạy
Nghiên cứu này hướng tới việc vượt qua các giới hạn hiện tại trong việc phát hiện và điều khiển các hiệu ứng lượng tử ở quy mô lớn. Đặc biệt, vai trò của áp suất bức xạ không chỉ là một cơ chế điều khiển mà còn là một nguồn nhiễu lượng tử cơ bản. Việc hiểu và giảm thiểu nhiễu này là cần thiết để đạt được độ nhạy cực cao. Các phương pháp mới để vượt qua giới hạn lượng tử tiêu chuẩn đang được khám phá. Công trình này có ý nghĩa quan trọng đối với các máy dò sóng hấp dẫn thế hệ tiếp theo và các cảm biến lượng tử. Mục tiêu là mở ra kỷ nguyên mới của cơ học lượng tử vĩ mô.
5.1. Cải thiện độ nhạy của máy dò sóng hấp dẫn
Thiết bị quang cơ có vai trò thiết yếu trong việc cải thiện độ nhạy của các máy dò sóng hấp dẫn. Độ nhạy của các máy dò như LIGO bị giới hạn bởi giới hạn lượng tử tiêu chuẩn (SQL), một phần do nhiễu áp suất bức xạ. Các kỹ thuật được phát triển trong quang cơ lượng tử có thể giúp giảm thiểu nhiễu này, cho phép các máy dò phát hiện các sóng hấp dẫn yếu hơn. Việc sử dụng ánh sáng nén và các phương pháp ghép nối quang cơ tiên tiến đang được nghiên cứu để nâng cao hiệu suất. Điều này có thể dẫn đến những khám phá đột phá trong vật lý thiên văn.
5.2. Khảo sát giới hạn lượng tử tiêu chuẩn SQL
Giới hạn lượng tử tiêu chuẩn (SQL) đại diện cho giới hạn cơ bản về độ chính xác khi đo vị trí hoặc động lượng của một vật thể, do các nguyên lý của cơ học lượng tử gây ra. Trong hệ thống quang cơ, SQL chủ yếu đến từ nhiễu áp suất bức xạ. Nghiên cứu này khảo sát các cách để vượt qua SQL bằng cách sử dụng các kỹ thuật như ánh sáng nén hoặc điều khiển phản hồi lượng tử. Vượt qua SQL sẽ cho phép các phép đo nhạy hơn đáng kể. Điều này có ý nghĩa sâu sắc đối với các thử nghiệm cơ học lượng tử vĩ mô và phát triển cảm biến.
5.3. Hướng nghiên cứu tương lai trong quang cơ lượng tử
Các hướng nghiên cứu tương lai trong quang cơ lượng tử bao gồm việc mở rộng quy mô của thiết bị quang cơ để kiểm tra các vật thể lớn hơn nữa. Việc khám phá các giao diện lượng tử giữa hệ thống quang cơ và các hệ thống lượng tử khác, như nguyên tử siêu lạnh hoặc mạch siêu dẫn, cũng là một ưu tiên. Mục tiêu là phát triển các ứng dụng mới trong tính toán lượng tử, truyền thông lượng tử và cảm biến lượng tử. Việc tìm kiếm các trạng thái lượng tử vĩ mô phức tạp hơn và việc kiểm soát chúng sẽ tiếp tục là trọng tâm chính. Lĩnh vực này hứa hẹn nhiều khám phá thú vị trong tương lai gần.
Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Tải đầy đủ (216 trang)Trích đoạn nội dung luận án
Tải xuống để đọc toàn bộSpringer Theses Recognizing Outstanding Ph. Research For further volumes: http://www.com/series/8790 Aims and Scope The series ‘‘Springer Theses’’ brings together a selection of the very best Ph. theses from around the world and across the physical sciences. Nominated and endorsed by two recognized specialists, each published volume has been selected for its scientific excellence and the high impact of its contents for the pertinent field of research.
For greater accessibility to non-specialists, the published versions include an extended introduction, as well as a foreword by the student’s supervisor explaining the special relevance of the work for the field. As a whole, the series will provide a valuable resource both for newcomers to the research fields described, and for other scientists seeking detailed background information on special questions. Finally, it provides an accredited documentation of the valuable contributions made by today’s younger generation of scientists. Theses are accepted into the series by invited nomination only and must fulfill all of the following criteria • They must be written in good English.
• The topic should fall within the confines of Chemistry, Physics and related interdisciplinary fields such as Materials, Nanoscience, Chemical Engineering, Complex Systems and Biophysics. • The work reported in the thesis must represent a significant scientific advance. • If the thesis includes previously published material, permission to reproduce this must be gained from the respective copyright holder. • They must have been examined and passed during the 12 months prior to nomination.
• Each thesis should include a foreword by the supervisor outlining the signifi- cance of its content. • The theses should have a clearly defined structure including an introduction accessible to scientists not expert in that particular field.com Haixing Miao Exploring Macroscopic Quantum Mechanics in Optomechanical Devices Doctoral Thesis accepted by School of Physics, The University of Western Australia 123 www.com Author Supervisors Dr. Haixing Miao Prof. David Blair Theoretical Astrophysics Australian International Gravitational Caltech M350-17 Research Centre (AIGRC) E.
California Blvd 1200 The University of Western Pasadena CA 91125 Australia (M013) USA 35 Stirling Highway Crawley WA 6009 Australia Prof. Yanbei Chen Theoretical Astrophysics Mail Code 350-17 California Institute of Technology Pasadena CA 91125-1700 USA ISSN 2190-5053 e-ISSN 2190-5061 ISBN 978-3-642-25639-4 e-ISBN 978-3-642-25640-0 DOI 10.1007/978-3-642-25640-0 Springer Heidelberg Dordrecht London New York Library of Congress Control Number: 2011944204 Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2012 This work is subject to copyright. All rights are reserved, whether the whole or part of the material is concerned, specifically the rights of translation, reprinting, reuse of illustrations, recitation, broadcasting, reproduction on microfilm or in any other way, and storage in data banks. Duplication of this publication or parts thereof is permitted only under the provisions of the German Copyright Law of September 9, 1965, in its current version, and permission for use must always be obtained from Springer.
Violations are liable to prosecution under the German Copyright Law. The use of general descriptive names, registered names, trademarks, etc. in this publication does not imply, even in the absence of a specific statement, that such names are exempt from the relevant protective laws and regulations and therefore free for general use. Printed on acid-free paper Springer is part of Springer Science+Business Media (www.com Decrease your frequency by expanding your horizon.
Increase your Q by purifying your mind. Eventually, you will achieve inner peace and view the internal harmony of our world. —A lesson from a harmonic oscillator www.com Dedicated to my parents Lanying Zhang and Dehua Miao www.com Parts of this thesis have been published in the following journal articles: 1. Haixing Miao, Chunong Zhao, Li Ju, Slawek Gras, Pablo Barriga, Zhongyang Zhang, and David G.
Blair, Three-mode optoacoustic parametric interactions with a coupled cavity, Phys. Haixing Miao, Chunnong Zhao, Li Ju and David G. Blair, Quantum ground- state cooling and tripartite entanglement with three-mode optoacoustic inter- actions, Phys. Chunnong Zhao, Li Ju, Haixing Miao, Slawomir Gras, Yaohui Fan, and David G.
Blair, Three-Mode Optoacoustic Parametric Amplifier: A Tool for Macro- scopic Quantum Experiments, Phys. Khalili, Haixing Miao, and Yanbei Chen, Increasing the sensitivity of future gravitational-wave detectors with double squeezed-input, Phys. Haixing Miao, Stefan Danilishin, Thomas Corbitt, and Yanbei Chen, Standard Quantum Limit for Probing Mechanical Energy Quantization, Phys. Haixing Miao, Stefan Danilishin, Helge Mueller-Ebhardt, Henning Rehbein, Kentaro Somiya, and Yanbei Chen, Probing macroscopic quantum states with a sub-Heisenberg accuracy, Phys.
Haixing Miao, Stefan Danilishin, and Yanbei Chen, Universal quantum entanglement between an oscillator and continuous fields, Phys. Haixing Miao, Stefan Danilishin, Helge Mueller-Ebhardt, and Yanbei Chen, Achieving ground state and enhancing optomechanical entanglement by recovering information, New Journal of Physics, 12, 083032 (2010). Khalili, Stefan Danilishin, Haixing Miao, Helge Mueller-Ebhardt, Huan Yang, and Yanbei Chen, Preparing a Mechanical Oscillator in Non- Gaussian Quantum States, Phys.com Supervisor’s Foreword Quantum mechanics is a successful and elegant theory for describing the behaviors of both microscopic atoms and macroscopic condensed-matter systems. However, there remains the interesting and fundamental question as to how an apparently macroscopic classical world emerges from the microscopic one described by quantum wave functions.
Recent achievements in high-precision measurement technologies could eventually lead to answering this question through studies of quantum phenomena in the macroscopic regime. By coupling coherent light to mechanical degrees of freedom via radiation pressure, several groups around the world have built state-of-the-art optome- chanical devices that are very sensitive to the tiny motions of mechanical oscil- lators. One prominent example is the laser interferometer gravitational-wave detector, which aims to detect weak gravitational waves from astrophysical sources in the universe. With high-power laser beams, and high mechanical quality test masses, future advanced gravitational-wave detectors will achieve extremely high displacement sensitivity—so high that they will be limited by fundamental noise of quantum origin, and the kilogram-scale test masses will have to be considered quantum mechanically.
This means, on the one hand, that we should manipulate the optomechanical interaction between the optical field and the test masses coherently at the quantum level, in order to further improve the detector sensitivity; and, on the other hand, that advanced gravitational-wave detectors will be ideal platforms for studying the quantum dynamics of kilogram-scale test masses—truly macroscopic objects. These two interesting aspects of advanced gravitational-wave detectors, and of more general optomechanical devices, are the main subjects of this dissertation. The author, Dr. Haixing Miao, starts with a quantum model for the optomechanical device, and studies its various quantum features in detail.
In the first part of the thesis, different approaches are considered for surpassing the quantum limit on the displacement sensitivity of gravitational-wave detectors; in the second part, experimental protocols are considered for probing the quantum behaviors of macroscopic mechanical oscillators with both linear and non-linear optomechan- ical interactions. This thesis has inspired much interesting work within the xi www.com xii Supervisor’s Foreword gravitational-wave community, and has been awarded the prestigious Gravitational Wave International Committee (GWIC) thesis prize in 2011. In addition, the formalism developed here may be equally well applied to general quantum limited measurement devices, which are also of interest to the quantum optics community. Australia, September 2011 Winthrop Professor David Blair Director, Australian International Gravitational Research Centre www.com Preface Recent significant achievements in fabricating low-loss optical and mechanical ele- ments have aroused intensive interest in optomechanical devices which couple optical fields to mechanical oscillators, e., in laser interferometer gravitationalwave (GW) detectors.
Not only can such devices be used as sensitive probes for weak forces and tiny displacements, but they also lead to the possibilities of investigating quantum behaviors of macroscopic mechanical oscillators, both of which are the main topics of this thesis. They can shed light on improving the sensitivity of quantum-limited measurement, and on understanding the quantumto-classical transition. This thesis summarizes and puts into perspective several research projects that I worked on together with the UWA group and the LIGO Macroscopic Quantum Mechanics (MQM) discussion group. In the first part of this thesis, we will discuss different approaches for surpassing the standard quantum limit for the displacement sensitivity of optomechanical devices, mostly in the context of GW detectors.
They include: (1) Modifying the input optics. We consider filtering two frequency-inde- pendent squeezed light beams through a tuned resonant cavity to obtain an appro- priate frequency dependence, which can be used to reduce the measurement noise of the GW detector over the entire detection band; (2) Modifying the output optics. We study a time-domain variational readout scheme which measures the conserved dynamical quantity of a mechanical oscillator: the mechanical quadrature. This evades the measurement-induced back action and achieves a sensitivity limited only by the shot noise.
This scheme is useful for improving the sensitivity of signal- recycled GW detectors, provided the signalrecycling cavity is detuned, and the optical spring effect is strong enough to shift the test-mass pendulum frequency from 1 Hz up to the detection band around 100 Hz; (3) Modifying the dynamics. We explore frequency dependence in double optical springs in order to cancel the positive inertia of the test mass, which can significantly enhance the mechanical response and allow us to surpass the SQL over a broad frequency band. In the second part of this thesis, two essential procedures for an MQM experiment with optomechanical devices are considered: (1) state preparation, in which we prepare a mechanical oscillator in specific quantum states. We study xiii www.com xiv Preface the preparations of both Gaussian and non-Gaussian quantum states, and also the creation of quantum entanglements between the mechanical oscillator and the optical field.
Specifically, for the Gaussian quantum states, e., the quantum ground state, we consider the use of passive cooling and optimal feedback control in cavity-assisted schemes. For non-Gaussian quantum states, we introduce the idea of coherently transferring quantum states from the optical field to the mechanical oscillator. For the quantum entanglement, we consider the entangle- ment between the mechanical oscillator and the finite degrees-of-freedom cavity modes, and also the infinite degrees-of-freedom continuum optical mode. (2) state verification, in which we probe and verify the prepared quantum states.
A similar time-dependent homodyne detection method as discussed in the first part is implemented to evade the back action, which allows us to achieve a verification accuracy that is below the Heisenberg limit. The experimental requirements and feasibilities of these two procedures are considered in both small-scale cavity- assisted optomechanical devices, and in large-scale advanced GW detectors.com Acknowledgments I am very thankful to my supervisors: Chunnong Zhao, David Blair and Ju Li at the University of Western Australia (UWA), and Yanbei Chen at the California Institute of Technology (Caltech). With great patience and enthusiasm, they introduced me to many interesting topics, especially, optomechanical interactions and their classical and quantum theories which make this thesis possible. When- ever I encountered some problems that could not be overcome, their sharp insights and great motivations always lit me up, and helped me to move forward.
I also want to express my thankfulness to Stefan Danilishin, Mihai Bondarescu, Helge Mueller-Ebhardt, Chao Li, Henning Rehbein, Thomas Corbitt, Kentaro Somiya, Farid Khalili, and all the other members in the LIGO-MQM discussion groups. In the two months of visiting the Albert-Einstein Institute (AEI) and MQM telecons, I had intensive discussions with them, which produced many fruitful results in this thesis. I thank especially Stefan who played significant roles in all my work concerning macroscopic quantum mechanics. I am very thankful to Rana Adhikari, Koji Arai, Kiwamu Izumi, Jenne Driggers, David Yeaton-Massey, Aiden Brook and Steve Vass at Caltech, with whom I spent my enjoyable 4 month experimental investigations of an advanced suspension isolation scheme based upon magnetic levitation.
Rana Adhikari and Koji Arai made painstaking efforts in trying to teach me the fundamentals of electronics and feedback control theory. I would like to thank Antoine Heidmann, Pierre-Franùcois Cohadon, and Chiara Molinelli for their friendly hosting of my visit to the Laboratoire Kastler Brossel, and for helping me to understand how to characterize a mechanical oscillator experimentally. I thank all my colleagues at UWA: Yaohui Fan, Zhongyang Zhang, Andrew Sunderland, and Andrew Woolley.
Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ
Trích dẫn luận án này
Haixing Miao (2012). Nghiên cứu cơ học lượng tử lớn trong thiết bị optomechanical [Luận án tiến sĩ, The University of Western Australia]. LuanAn.net. https://luanan.net/vat-ly/nghien-cu-co-hoc-luong-tu-lon-trong-thiet-bi-optomechanical
Câu hỏi thường gặp
Luận án "Nghiên cứu cơ học lượng tử lớn trong thiết bị optomechanical" nghiên cứu về vấn đề gì?
Khám phá cơ học lượng tử vĩ mô trong thiết bị quang cơ. Nghiên cứu các hiện tượng và ứng dụng tiềm năng của lượng tử hóa ở quy mô lớn.
Luận án "Nghiên cứu cơ học lượng tử lớn trong thiết bị optomechanical" được bảo vệ tại trường nào?
Luận án này được bảo vệ tại The University of Western Australia. Năm bảo vệ: 2012.
Luận án "Nghiên cứu cơ học lượng tử lớn trong thiết bị optomechanical" thuộc chuyên ngành gì?
Luận án "Nghiên cứu cơ học lượng tử lớn trong thiết bị optomechanical" thuộc chuyên ngành Physics. Danh mục: Vật Lý.
Luận án "Nghiên cứu cơ học lượng tử lớn trong thiết bị optomechanical" có bao nhiêu trang?
Luận án "Nghiên cứu cơ học lượng tử lớn trong thiết bị optomechanical" có 216 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.
Cách tải luận án "Nghiên cứu cơ học lượng tử lớn trong thiết bị optomechanical" về máy như thế nào?
Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.