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Quantum measurement and control of mechanical motion at room temperature
Lorenzo Magrini
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (DissG: Physik)
Betreuer*in
Markus Aspelmeyer
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Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved
DOI
10.25365/thesis.70984
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-13088.61420.741023-5
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract
(Deutsch)
Die Heisenbergsche Unschärferelation bildet die Grenze zum Quantenbereich, in dem der Akt der Beobachtung eine entscheidende Rolle spielt. Sie stellt eine grundlegende Grenze für unser Wissen über ein System dar: Die Position eines Teilchens, der Spin eines Atoms oder die Energie eines Photons können nur mit endlicher Genauigkeit bestimmt werden. Die Durchführung von Messungen und der Bau von Sensoren, die nahe an dieser fundamentalen Grenze operieren, ist eine anspruchsvolle Aufgabe, die geeignet ist, die Quanteneigenschaften scheinbar klassischer Objekte aufzudecken. In dieser Arbeit beschreibe ich, wie die Bewegung einer schwebenden Glaskugel bei Raumtemperatur an dieser Quantengrenze gemessen und kontrolliert werden kann. In einem ersten Experiment wird das Teilchen im Nahfeld eines photonischen Kristalls gefangen und zeigt eine Messeffizienz von 9\%, die um zwei Größenordnungen höher ist als die bisher für levitierte Systeme berichtete. Mit einer abstimmbaren optomechanischen Einzelphotonenkopplung von bis zu g_0/2π=9 stellt dies eine spannende Schnittstelle für die Untersuchung optischer Felder in Superauflösung und die Messung von Kräften im Nahbereich dar. In einem zweiten Experiment ist der Ansatz ein anderer: Hier ist das Teilchen in einer optischen Pinzette im freien Raum gefangen. Die Kombination aus einer Heisenberg-begrenzten konfokalen Messung und einer optimalen Zustandsschätzung mittels Kalman-Filterung ermöglicht es, den Zustand des Teilchens im Phasenraum mit einer Unsicherheit von 1,3 mal der Nullpunktsfluktuation zu verfolgen. Mit optimaler Rückkopplung wird der harmonische Quantenoszillator dann auf eine mittlere Besetzung von of n=0.56±0.02 Quanten stabilisiert, wodurch eine Quantengrundzustandsabkühlung in einer Umgebung mit Raumtemperatur realisiert wird. Schließlich wird gequetschtes Licht als Ergebnis des Strahlungsdrucks (ponderomotorische Kräfte) beobachtet, der das oszillierende Teilchen antreibt, zum ersten Mal ohne einen Hohlraum. Diese Ergebnisse ebnen den Weg für Quantenexperimente mit schwebenden Festkörperobjekten, die von nicht-klassischen Bewegungszuständen für Tests makroskopischer Quantenphänomene bis hin zur Entwicklung neuer Kraft- und Impulssensoren für die Suche nach neuer Physik wie dunkler Materie reichen.
Abstract
(Englisch)
The Heisenberg uncertainty principle establishes the frontier to the quantum realm, where the act of observation plays a critical role. It poses a fundamental limit to our knowledge about a system: the position of a particle, the spin of an atom or the energy of a photon can only be known with finite precision. Realizing measurements and building sensors that operate close to this fundamental limit is a challenging effort, one that is suited to reveal the quantum properties of seemingly classical objects. In this thesis I describe how the motion of a levitated glass sphere at room temperature can be measured and controlled at this quantum limit. In a first experiment the particle is trapped in the near-field of a photonic crystal demonstrating a measurement efficiency of 9\%, two orders of magnitude larger than previously reported for levitated systems. With a tunable single-photon optomechanical coupling of up to g_0/2π=9 kHz, this represents an exciting interface for the study of optical fields in super resolution and the measurement of short range forces. In a second experiment the approach is different: here the particle is trapped in an optical tweezer in free space. The combination of a Heisenberg limited confocal measurement and optimal state estimation via Kalman filtering allows to track the state of the particle in phase space with an uncertainty of 1.3 times the zero point fluctuation. With optimal feedback the quantum harmonic oscillator is then stabilized to a mean occupation of n=0.56±0.02 quanta, realizing quantum ground state cooling in a room temperature environment. Finally, squeezed light is observed as the result radiation pressure (ponderomotive) forces driving the oscillating particle, for the first time without a cavity. These results pave the way for quantum experiments with levitated solid-state objects, ranging from non-classical states of motion for tests of macroscopic quantum phenomena to the development of new force and impulse sensors for searches of new physics such as dark matter.

Schlagwörter

Schlagwörter
(Deutsch)
Quantenmessung Quantenkontrolle
Schlagwörter
(Englisch)
quantum measurment quantum control optomechanics
Autor*innen
Lorenzo Magrini
Haupttitel (Englisch)
Quantum measurement and control of mechanical motion at room temperature
Paralleltitel (Deutsch)
Quantenmessung und Kontrolle über mechanisce Bewegung bei Raumtemperatur
Publikationsjahr
2021
Umfangsangabe
x, 145 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Giorgio Gratta ,
Tracy Northup
Klassifikationen
33 Physik > 33.05 Experimentalphysik ,
33 Physik > 33.18 Optik ,
33 Physik > 33.23 Quantenphysik ,
33 Physik > 33.30 Atomphysik, Molekülphysik
AC Nummer
AC16527823
Utheses ID
61625
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |
Universität Wien, Universitätsbibliothek, 1010 Wien, Universitätsring 1