Quantum opto-mechanics with micromirrors

Diese Arbeit beschreibt mehr als vier Jahre an Forschung über die Effekte von Strahlungsdruck von Licht auf makroskopische, mechanische Strukturen. Das System das hier erforscht wird ist ein mechanischer Oszillator der gleichzeitig ein hochreflektierender Spiegel ist und als Teil eines optischen Resonators verwendet wird. Die mechanische Struktur wechselwirkt mit der optischen Mode in der Kavität über die Strahlungsdruckkraft des Lichtes. Sowohl die Dynamik der mechanischen Oszillation als auch die Eigenschaften des Lichtes werden durch diese Wechselwirkung beeinflusst. In unseren Experimenten verwenden wir Werkzeuge der Quantenoptik (wie Homodyndetektion und parametrische Fluoreszenz (= down-conversion)) mit dem Ziel Quantenverhalten der mechanischen Schwerpunktsbewegung zu zeigen. In dieser Dissertation präsentieren wir mehrere Experimente die den Weg zu diesem Ziel ebnen und, wenn gemeinsam durchgeführt, zu der gewünschten Demonstration der makroskopischen, mechanischen Quantenphänomene führen sollten, wie Verschränkung, Teleportation und nicht-klassische Zustände (Stichwort ``Schrödingers Katze''). Das Studium des Quantenverhaltens von makroskopischen Systemen ist ein seit langer Zeit verfolgtes Ziel welches dabei helfen wird einige der zentralen offenen Fragen der modernen Quantenphysik zu beantworten: Warum ist die Welt wie wir sie wahrnehmen klassisch und nicht quantenmechanisch? Gibt es eine Beschränkung in der Größe oder der Masse für Objekte oberhalb der sie sich nicht mehr nach den Gesetzen der Quantenmechanik verhalten können? Ist die Quantentheorie vollständig oder müssen wir sie mit einem Mechanismus wie der Dekohärenz erweitern? Können wir die Quantennatur von makroskopischen Objekten nutzen um zum Beispiel die Messgenauigkeit von klassischen Apparaten zu verbessern? Die Experimente die in dieser Arbeit diskutiert werden inkludieren das erste passive Kühlen eines mechanischen Oszillators mit Hilfe von Strahlunsgdruck in einem kryogenen optischen Resonator überhaupt. Weiters konnten wir ein Experiment durchführen in welchem wir die mechanische Struktur in die Nähe ihres quantenmechanischen Grundzustandes gekühlt haben. Das Kühlen der mechanischen Bewegung ist eine wichtige Voraussetzung um Quantenphänome des mechanischen Oszillators zu beobachten. In einem anderen Experiment haben wir gezeigt, dass wir im Bereich der starken Wechselwirkung des opto-mechanischen Systems arbeiten können. In diesem Bereich ist ein kohärenter Energieaustausch zwischen dem optischen und dem mechanischen System möglich da ihre Wechselwirkungsrate größer ist als ihre individuellen Dekohärenzraten. Dieses Experiment ist ein wichtiger Meilenstein um makroskopisches, mechanisches Quantenverhalten zu zeigen. Zuletzt haben wir in einem Experiment die opto-mechanischen Korrelationen gemessen. Mit Hilfe dieser Korrelationen kann man die aufgrund des Strahlungsdruckes auftretende parametrische Fluoreszenz untersuchen. Dieses Experiment ist so konzipiert, dass man damit in Zukunft Verschränkung zwischen dem optischen und dem mechanischen System sowohl erzeugen, als auch auslesen wird können.This work describes more than four years of research on the effects of the radiation-pressure force of light on macroscopic mechanical structures. The basic system studied here is a mechanical oscillator that is highly reflective and part of an optical resonator. It interacts with the optical cavity mode via the radiation-pressure force. Both the dynamics of the mechanical oscillation and the properties of the light field are modified through this interaction. In our experiments we use quantum optical tools (such as homodyning and down-conversion) with the goal of ultimately showing quantum behavior of the mechanical center of mass motion. In this thesis we present several experiments that pave the way towards this goal and when combined should allow the demonstration of the envisioned quantum phenomena, including entanglement, teleportation and Schr\"odinger cat states. The study of quantum behavior of truly macroscopic systems is a long outstanding goal, which will help to answer some of the most fundamental questions in quantum physics today: Why is the world around us classical and not quantum? Is there a size- or mass-limit to systems for them to behave according to quantum mechanics? Is quantum theory complete or do we have to extend it to include mechanisms such as decoherence? Can we use the quantum nature of macroscopic objects to, for example, improve the measurement precision of classical apparatuses? The experiments discussed in this thesis include the very first passive radiation-pressure cooling of a mechanical oscillator in a cryogenic optical resonator, as well as the experimental demonstration of radiation-pressure cooling close to the mechanical quantum ground state. Cooling of the mechanical motion is an important pre-condition for observing quantum effects of the mechanical oscillator. In another experiment, we have demonstrated that we are able to enter the strong-coupling regime of the optomechanical system a regime where coherent energy exchange between the optical and the mechanical subsystems is possible, as their coupling rate is bigger than their individual decoherence rates. This experiment is an important milestone in showing macroscopic mechanical quantum behavior. Finally, we have performed an experiment where we have measured the optomechanical correlations. The correlations are used for probing radiation-pressure based down-conversion and such an experiment will ultimately allow the generation and detection of entanglement between the optical and the mechanical system

Phononic Crystals in Superfluid Thin-Film Helium

In recent years, nanomechanical oscillators in thin films of superfluid helium have attracted attention in the field of optomechanics due to their exceptionally low mechanical dissipation and optical scattering. Mechanical excitations in superfluid thin films - so-called third sound waves - can interact with the optical mode of an optical microresonator by modulation of its effective refractive index enabling optomechanical coupling. Strong confinement of third sound modes enhances their intrinsic mechanical non-linearity paving the way for strong phonon-phonon interactions with applications in quantum optomechanics. Here, we realize a phononic crystal cavity confining third sound modes in a superfluid helium film to length scales close to the third sound wavelength. A few nanometer thick superfluid film is self-assembled on top of a silicon nanobeam optical resonator. The periodic patterning of the silicon material creates a periodic modulation of the superfluid film leading to the formation of a phononic band gap. By engineering the geometry of the silicon nanobeam, the phononic band gap allows the confinement of a localized phononic mode

Non-classical mechanical states guided in a phononic waveguide

The ability to create, manipulate and detect non-classical states of light has been key for many recent achievements in quantum physics and for developing quantum technologies. Achieving the same level of control over phonons, the quanta of vibrations, could have a similar impact, in particular on the fields of quantum sensing and quantum information processing. Here we present a crucial step towards this level of control and realize a single-mode waveguide for individual phonons in a suspended silicon micro-structure. We use a cavity-waveguide architecture, where the cavity is used as a source and detector for the mechanical excitations, while the waveguide has a free standing end in order to reflect the phonons. This enables us to observe multiple round-trips of the phonons between the source and the reflector. The long mechanical lifetime of almost 100 $\mu s$ demonstrates the possibility of nearly lossless transmission of single phonons over, in principle, tens of centimeters. Our experiment demonstrates full on-chip control over traveling single phonons strongly confined in the directions transverse to the propagation axis, potentially enabling a time-encoded multimode quantum memory at telecom wavelength and advanced quantum acoustics experiments