力测量 on Yuunagi Library

机械振子在热退相干率处的测量与控制

Sat, 27 Jun 2026 00:00:00 +0000

Measurement-based control of a mechanical oscillator at its thermal decoherence rate#

机械振子在热退相干率处的测量与控制#

D. J. Wilson, V. Sudhir, N. Piro, R. Schilling, A. Ghadimi, T. J. Kippenberg

École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)

Nature 524, 325–329 (2015)

摘要#

实时量子反馈协议 [1,2] 中，连续测量的记录被用于稳定目标量子态。近年来在多种良好隔离的微系统（微波光子 [3]、超导量子比特 [4]）中取得高度成功。相比之下，稳定一个切实宏观物体（如纳米机械振子）的量子态仍是困难挑战：主要障碍是环境退相干，对测量态的时间尺度提出严格要求。本文描述一种位置传感器，能在固态纳米机械振子的热退相干时间尺度内分辨其零点运动——这是用反馈制备其基态的关键要求 [5]。该传感器基于腔光机械耦合 [6]，实现位移测量的不精确度比标准量子极限低 40 dB [7]，同时保持不精确度-反作用积在海森堡不确定极限因子 5 以内。以测量作误差信号、辐射压力作执行器，演示 4.3 MHz 振子从 4.4 K 低温浴主动反馈冷却（冷阻尼 [8]）到有效 1.1±0.1 mK，对应平均声子数 $n_m = 5.3 \pm 0.6$（基态概率 16%）。结果为线性位置传感器的性能设立新基准，标志着工程化机械振子作为测量基量子控制实用对象的兴起。

背景与动机#

机械振子的反馈控制历史悠久（蒸汽调速器 [9]、机械钟 [10]、检流计 [11]）。基本方法用传感器跟踪振子位置、用执行器把测量记录转成连续「实时」反馈力。近期实时反馈的量子极限 [1,2] 在良好隔离的个体量子系统中被探索，实现了微波 Fock 态产生 [3]、超导量子比特持续 Rabi 振荡 [4] 等惊人应用。这些协议的基本范式涉及能在量子态因测量反作用退相干同样快的速率下追踪它的「弱测量」[12]。

低于标准量子极限的连续力与位移测量

Sat, 27 Jun 2026 00:00:00 +0000

Continuous force and displacement measurement below the standard quantum limit#

低于标准量子极限的连续力与位移测量#

D. Mason, J. Chen, M. Rossi, Y. Tsaturyan, A. Schliesser

Niels Bohr Institute, University of Copenhagen

Nature Physics 15, 745–749 (2019)

摘要#

量子力学规定，物理测量的精度必须始终满足某些噪声约束。对干涉位移测量，这些限制施加了标准量子极限（SQL），最优地平衡测量精度与其不受欢迎的反作用 [1]。要超越此极限，必须设计更复杂的测量技术——要么「规避」测量反作用 [2]，要么在探测器处巧妙消除不受欢迎的噪声 [3,4]。SQL 确立半个世纪以来，从 LIGO [5] 到超冷原子 [6]、纳米机械器件 [7,8] 的系统都把位移测量推向此极限，多种亚 SQL 技术在原理验证实验中被测试 [9–13]。然而迄今，没有实验系统成功演示了含全部相关噪声源（热、反作用、不精确）的干涉位移测量灵敏度低于 SQL。 本文利用超高相干性光机械系统中的强量子关联，演示共振外力与位移灵敏度达到低于 SQL 1.5 dB。这达成了机械量子传感中的杰出目标，进一步增强用这类器件做最先进力传感应用的前景。

背景与动机#

SQL 的推导#

SQL 可通过分析理想干涉位移测量中量子噪声源的简单论证得出 [1,14–16]。测量的前提是把物体位置（如谐振束缚的镜）耦合到相干光场的相位。该相位的不确定度随相干场强度反比缩放（光学场的海森堡不确定关系）。此**不精确噪声（散粒噪声）**构成有效位移噪声 $\hat{x}_{\mathrm{imp}}$，谱密度 [15,17]

$$ \bar{S}_{xx}^{\mathrm{imp}} = \frac{x_{\mathrm{zpf}}^2}{4\Gamma_{\mathrm{meas}}}, \tag{1} $$

$\Gamma_{\mathrm{meas}}$ 为表征相互作用强度的测量率 [17]，$x_{\mathrm{zpf}} = \sqrt{\hbar/2m\Omega_m}$ 为振子零点涨落的 rms 幅度。