Engineering the Optical Spring via Intra-Cavity Optical-Parametric Amplification
这种“光学弹簧”是动力学反作用的结果，可以用来提高腔增强引力波探测器的灵敏度。如果腔长度的振荡导致具有光的辐射压力放大腔长度的振荡的相位关系的腔内光功率的振荡，则发生该效应。在这里，我们分析了一个迈克耳孙干涉仪，其光学弹簧腔包括一个额外的光学参量放大器与可调相位。我们发现，相位的参量泵浦场是一个通用的参数，用于成形干涉仪的光谱密度。
2017-11-09 gr-qc quant-ph
Angular trapping of a linear-cavity mirror with an optical torsional spring
光机系统在各种物理实验中一直受到人们的广泛关注。利用光学机械系统，可以通过利用光学干涉测量法精确地测量机械振荡器的位移或作用在机械振荡器上的力。悬置反射镜作为一种机械振子，常用于毫克级以上的光机系统中。然而，由于光辐射压力的作用，直线腔中的微小悬置反射镜在其偏转旋转自由度上可能是不稳定的。这种不稳定性限制了腔体可以在其中积累的光功率，并且对灵敏度施加了限制。在这里，我们表明，光辐射压力可以用来捕获的旋转运动的悬挂镜没有额外的主动反馈控制时，腔的$g$因素是负的，一个反射镜比另一个更重。此外，我们证明了实验的有效性的陷阱。测量了不同腔内光焦度下悬置微镜的转动刚度。结果表明，腔内激光束的辐射压力实际上是一个正的恢复力矩。此外，我们还讨论了利用我们的实验装置观测量子辐射压力涨落的可行性。
2022-07-27 quant-ph
Robust control of an ensemble of springs: Application to Ion Cyclotron Resonance and two-level Quantum Systems
我们研究了绝热、绝热捷径和最优过程对不同频率弹簧系综的同时控制。系统的线性度使我们能够推导出控制场和动态时间演化的解析表达式。我们讨论了不同解决方案的相对优势。这些结果被应用在两个不同的例子。对于离子回旋共振，我们展示了如何通过电场最佳地控制离子。利用自旋和弹簧之间的映射，我们推导出了实现二能级量子系统的鲁棒性和选择性激发的解析捷径协议。
2020-07-16 quant-ph
Optical Spring Tracking for Enhancing Quantum-Limited Interferometers
本文提出利用光学弹簧动态跟踪随时间变化的引力波inspiral信号，以最小化chirp频率处的量子噪声，相比静态配置将信噪比最高提升40倍。
2024-08-28 physics.optics quant-ph
Kerr-Enhanced Optical Spring
本文提出并实验验证利用相位失配二阶非线性级联产生的Kerr效应增强Fabry-Perot腔光机械耦合，光学弹簧常数较线性理论提升1.6±0.1倍。
2024-04-04 gr-qc physics.optics quant-ph
Squeezing a thermal mechanical oscillator by stabilized parametric effect on the optical spring
我们报告的光机械微振荡器在压缩热态的限制，通过光学弹簧的参数调制获得。我们提出并实现了一个实验方案的基础上的振荡器的参数反馈控制，稳定放大的正交，而留下的正交不受影响。这种技术使我们能够在与参数谐振相关的噪声降低方面超过-3dB极限，最佳实验结果为-7.4dB。在一个适度冷却的系统中，我们的技术可以有效地利用，以产生强压缩的宏观力学振子低于零点运动。
2013-09-11 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Suppression of quantum-radiation-pressure noise in an optical spring
微纳米加工技术的最新进展使得光机系统的性能得到了相应的改善，这为量子限制计量学和宏观力学对象中量子行为的研究提供了一条有前途的途径。达到量子状态的一个主要障碍是热激发，对于足够高的机械品质因数Q，可以克服热激发。在这里，我们提出了一种方法，用于增加机械谐振器的有效Q值，通过线性光学机械系统所表现出的光学弹簧效应来加强它，并展示了如何通过传感和反馈控制来避免相关的量子辐射压力噪声。在用当前技术可获得的参数范围中，该方法允许在远低于迄今为止已经实现的频带的频带中实现现实的量子腔光学力学。
2013-12-05 physics.optics quant-ph
First-step experiment in developing optical-spring quantum locking for DECIGO: sensitivity optimization for simulated quantum noise by completing the square
DECi-hertz干涉仪引力波观测站是未来的一项星载激光干涉仪飞行任务。DECIGO有1,000公里长的臂腔，主要用于探测0.1 Hz左右较低频率的原始引力波（PGW）。电磁波谱的观测降低了PGW能量密度上限（$Ω_{\rm gw} \sim 10^{-15} \to 10^{-16}$）的界限。因此，DECIGO的目标灵敏度，这主要是由量子噪声限制，需要进一步提高。为了最大限度地提高探测的可行性，同时受到DECIGO的大衍射损耗的限制，理论上提出了一种具有光学弹簧的量子锁定技术，以提高PGW的信噪比。在本文中，我们通过实验验证了光弹簧量子锁定的一个关键因素：通过完成多个探测器输出的平方来优化灵敏度。该实验在简化的桌面光学装置上进行，经典噪声模拟量子噪声。我们成功地得到了最佳的灵敏度与两个不同的激光功率的平方完成的方法。
2022-11-23 gr-qc quant-ph
Effective description of a suspended mirror coupled to cavity light -Limitations of Q-enhancement due to normal mode splitting by an optical spring-
摆由于其最终的低耗散（高品质因数）特性而长期被用作力传感器。它们广泛应用于引力常量的测量、引力波的探测和超轻暗物质的测定。此外，我们还期望通过对宏观引力的量子控制来证明引力的量子性质。最近，我们证明了利用光学弹簧可以在两个量子点之间产生量子纠缠[D. Miki，N.松本A. Matsumura，T.七条岛杉山湾Yamamoto和N. Yamamoto，arXiv：2210.13169（2022）];然而，我们忽略了光学弹簧可以通过在具有相对高的耗散的摆模和旋转模之间应用简正模分裂来降低品质因数（Q因子）。在此，我们分析由使用梁悬挂的圆柱体（悬挂镜，即，摆）和光学弹簧以考虑简正模分裂。Q因子的降低仅由光束参数决定：反射镜的半径与光束长度的比率，以及在没有腔光子的情况下旋转模式与摆动模式的频率的比率。在我们的分析中，我们发现减少因子$4.38$是重现的，这与Matsumoto \textit{et al.} [N. Matsumoto，S. B.卡坦岛$\tilde{\text{o}}$ -洛佩兹，M。Sugawara，S. Suzuki，N. Abe，K. Komori，Y. Michimura，Y. Aso和K. Edamatsu，Phys. Rev. Lett. 122，071101（2019）]。我们的分析表明，低耗散（高品质），可以达到使用光学弹簧的现实摆系统考虑旋转自由度。
2023-03-23 physics.optics quant-ph
Optical dilution and feedback cooling of a gram-scale oscillator to 6.9 mK
我们报告使用辐射压力引起的回复力，光学弹簧效应，光学稀释的机械阻尼的1克悬浮镜，然后通过主动反馈（冷阻尼）冷却。光学稀释放宽了机械损耗对冷却的限制，使振荡器模式达到6.9 mK的最低温度，比环境温度低约40000倍。光学弹簧效应的另一个优点是它可以将退相干之前的振荡次数增加几个数量级。在本实验中，我们推断的动态寿命的状态增加了一个因素~200。
2007-10-25 quant-ph
Increasing quantum speed meter sensitivity using optical spring
该研究证明双程量子速度计与无失谐光学弹簧可共存，能在保持宽带增益的同时形成可调低频量子噪声极小值，并实时跟踪啁啾引力波信号。
2025-03-13 astro-ph.IM gr-qc physics.ins-det
Asymmetric harmonic oscillator
给出了一维非对称量子谐振子的解。不对称性可以例如通过使用两个弹簧来实现，其中一个弹簧与质量体粘合，并且第二弹簧在平衡点处与质量体自由连接，并且第二弹簧位于第一弹簧的内部或外部，第一弹簧仅从右侧的接触点作用于质量体。研究了弹性常数$ k_-$在平衡位置左边，弹性常数$ k_ +$在平衡位置右边的量子谐振子的光谱.在所呈现的情况下，第二弦的接触点是第一弦的平衡点。讨论了本征函数的显式形式、本征值的计算方法和本征函数的性质。
2022-04-13 quant-ph
Thermal Noise Measurement Below the Standard Quantum Limit
本文提出一种独立于量子噪声的热噪声表征方法，在低温 Fabry Perot 腔中测量 GaAs 微镜热噪声，其最大低于标准量子极限 5 dB，并进一步观测到光学弹簧效应使量子噪声最大低于 SQL 10 dB。
2025-09-21 quant-ph
Quantum Spring
本文将对\textit{quantum spring}进行简要的回顾，它是我们在早期工作中提出的一种基于螺旋边界条件的Casimir效应。平行于螺旋轴的卡西米尔力的行为非常像弹簧上的力，当螺距与螺旋周长的比值$r$很小时，弹簧上的力遵守胡克定律，但在这种情况下，力来自量子效应，所以我们想称之为\textit{quantum spring}。另一方面，垂直于轴的力随着比率$r$的增加而单调减小。这两种力都是吸引力，它们的行为在二维和三维中是相同的。
2012-05-21 hep-th quant-ph
Quantised Three-Pillar Problem
本文研究了量子力学系统，当一个量子化的经典力学配置所描述的欠定系统的方程。具体地说，我们考虑著名的问题，在经典力学中，梁是由三个相同的刚性支柱。对于这个问题，不可能唯一地计算每个支柱提供的力。然而，如果用弹簧代替支柱，则力是唯一确定的。当弹性常数趋于无穷大时，三柱问题及其相关的不确定性在极限中恢复。在本文中，弹簧版本的问题被量化为一个约束动力系统。然后，它表明，作为弹性常数变得很大，量子模拟的模糊性重新出现作为一种量子异常。
2003-02-12 quant-ph
A Quantum Model for Entropic Springs
出于理解热力学回复力和振荡的出现，我们开发了一个量子力学模型的自旋浴耦合到材料的弹性。我们表明，我们的模型再现了各种熵弹簧的行为，同时使调查的非平衡谐振器状态的量子域。我们发现我们的模型自然出现在无序的弹性介质，如玻璃，是一个额外的，预期的效果，在系统中的异常比热和1/f噪声在低温下，由于两个层次的系统波动。
2016-10-06 cond-mat.stat-mech quant-ph
Robust open-loop stabilization of Fock states by time-varying quantum interactions
量子谐振子（弹簧子系统）的稳定向目标Fock态的水库工程。这种被动和开环稳定的工作连续和相同的哈密顿相互作用与辅助系统，在这里的三能级原子（辅助梯子子系统），其次是部分跟踪这些辅助原子。标量控制输入控制相互作用，定义了梯子子系统中的原子跃迁与弹簧子系统共振。我们用它来建立一个与单个原子的时变相互作用，它结合了三个非交换步骤。我们表明，由此产生的水库鲁棒稳定任何初始弹簧状态之间的0和4n+3量子的振动朝着一个纯粹的目标Fock状态的振动数n。的收敛性证明依赖于一个严格的李雅普诺夫函数的建设引起的这个水库设置弹簧子系统的克劳斯映射。仿真与现实的参数对应的量子电动力学设置在巴黎高等师范学院进一步说明了该方法的鲁棒性。
2012-10-03 quant-ph
Surpassing the Standard Quantum Limit using an Optical Spring
本研究利用光学弹簧产生的量子关联，在适用于引力波探测器的架构下实现了低于标准量子极限2.8 dB的测量灵敏度，为提升Advanced LIGO等探测器的探测范围提供了可行方案。
2024-07-26 gr-qc quant-ph
A Stable Optical Trap from a Single Optical Field Utilizing Birefringence
本文报道了在单光场泵浦的光腔中，由于双折射而产生的稳定的双光弹簧效应。腔的一端由多层Al $_{0.92}$ Ga $_{0.08}$ As/GaAs叠层形成，该叠层由微制造的悬臂支撑，具有$274$ Hz的固有模式频率。光学弹簧将共振移动到$21$ kHz，对应于以大于$10^{4}$的因子抑制低频振动。光阱的稳定性质允许腔在没有任何外部反馈的情况下操作，并且仅具有单个光场入射。
2016-10-19 physics.optics quant-ph
Fast shuttling of a particle under weak spring-constant noise of the moving trap
本文研究了在弱弹簧常数色噪声作用下，量子粒子在简谐势阱中的激发。用于噪声关联函数的Ornstein-Uhlenbeck模型描述了宽范围的可能噪声，特别是对于在Lu等人，Phys.Rev.A89，063414（2014）中检查的白噪声限制的短关联时间，以及通过在关联时间上平均“1/f闪烁噪声”。我们发现表达式的激发能的静态（独立的陷阱运动）和动态的灵敏度，相对于穿梭时间具有相反的行为，并证明，激发可以减少由适当的工艺定时和陷阱轨迹的设计。
2018-05-05 quant-ph
The Casimir force of Quantum Spring in the (D+1)-dimensional spacetime
我们最近的论文\cite{Feng}研究了无质量标量场在称为量子弹簧的螺旋边界条件下的Casimir效应。本文利用zeta函数方法研究了$(D+1)$维时空中有质量和无质量标量场的量子弹簧Casimir效应。我们得到了任意$D$的Casimir能量和Casimir力的精确结果，表明了二维空间的$Z_2$对称性.在无质量的情况下，Casimir能量和Casimir力在奇数维和偶数维空间有不同的表达式，但在这两种情况下，力都是吸引力。在奇维空间的情况下，Casimir能量密度可以用伯努利数表示，而在偶维空间的情况下，它可以用$ζ$ -函数表示。我们还证明了Casimir力有一个极大值，它依赖于时空的维数。特别地，对于一个有质量的标量场，我们发现Casimir力随场质量的变化而变化。
2010-08-24 hep-th quant-ph
Quantum Spring from the Casimir Effect
卡西米尔效应不仅出现在物质边界的存在下，而且出现在具有非平凡拓扑的空间中。在本文中，我们选择了平坦的$(D+1)$维时空的拓扑结构，它导致了厄米无质量标量场的螺旋边界条件。特别地，利用zeta函数技术，在二维和三维空间中研究了螺旋边界条件下无质量标量场的Casimir效应。平行于螺旋轴的卡西米尔力的行为非常类似于弹簧上的力，当螺距与螺旋周长的比值$r$很小时，弹簧上的力遵守胡克定律，但在这种情况下，力来自量子效应，所以我们想称之为\textit{quantum spring}。当$r$很大时，这个力的行为就像牛顿的万有引力定律的主导顺序。另一方面，垂直于轴的力随着比率$r$的增加而单调减小。这两种力都是吸引力，它们的行为在二维和三维中是相同的。
2010-07-13 hep-ph hep-th quant-ph
Force sensing beyond standard quantum limit with optomechanical `soft' mode induced by non-linear interaction
我们考虑一个光机系统，它是由一个机械和光学模式通过线性和二次光机色散耦合相互作用。该系统在高品质因数机械谐振器的情况下在未分辨的边带极限中操作。这样的系统然后充当参数驱动的振荡器，从而获得弹性常数的强度辅助可调性。这使得光学机械系统能够在其“软模式”下操作，其中机械弹簧软化并以较低的谐振频率响应。我们表明，这种软模式可以利用非线性反作用噪声，从而产生更高的力的灵敏度超过传统的标准量子限制。
2019-12-11 quant-ph
Radiation-Pressure-Mediated Control of an Optomechanical Cavity
我们描述并演示了一种在强光学弹簧存在下利用辐射压力控制失谐可动镜法布里-珀罗腔的方法。在低于光学弹簧共振的频率下，腔的自锁本质上是通过腔场和可移动端镜之间的光机械（OM）相互作用来实现的。OM相互作用导致反射镜的高刚度和对外力的降低的敏感性。然而，由于腔中的有限延迟时间，这种增强的刚性伴随着反阻尼力，这使腔不稳定。通过在光学弹簧谐振附近的频带中施加外部反馈来稳定腔。用光电探测器在发射光束的振幅正交中感测误差信号。在腔的输入路径中的振幅调制器调制光强度以提供稳定的辐射压力。
2017-12-04 physics.optics quant-ph
Controlling mode orientations and frequencies in levitated cavity optomechanics
腔光力学提供量子冷却，量子控制和小型机械振荡器的测量。然而，支撑量子控制的光学反作用可以显著地干扰振荡器模式：在强耦合区域中，光学弹簧效应和光-物质杂化使机械频率移动;机械模式通过腔模式彼此杂化。这在悬浮光学力学领域中甚至更加相关，其中光学捕获完全确定机械模式及其频率。在这里，使用的相干散射（CS）的设置，允许量子基态冷却的悬浮纳米粒子，我们表明-当捕获远离一个节点的腔驻波-CS场反对光学弹簧位移和机械模式杂交。在一个最佳的抵消点，独立于大多数实验参数，我们实验证明，它是可能的强烈腔冷却和控制的{\em未扰动}模式。通过测量$S_{xy}(ω)$相关谱来量化$x-y$平面中的腔诱导模式杂交的抑制，所述相关谱被认为总是反相关的，除了在它们变得不相关的抵消点处。这些发现对使用CS设置的定向力感测具有影响。
2022-06-02 quant-ph
Dispersionless pulse transport in mass-spring chains: All possible perfect Newton's cradles
脉冲在由弹簧连接的$N$质量组成的均匀非耗散链上传播，很快就会因色散而发生畸变。在这里，它表明，适当的调制的质量和弹性常数，使它能够获得一个周期性的动态和完美的传输链端之间的任何类型的脉冲，因为初始配置演变到其镜像的半周期。这使得链条表现得像牛顿摆。通过基于正交多项式的已知算法，可以数值地解决从谱到动力矩阵，然后到相应的质量弹簧序列的一般逆问题，从而产生所有可能的"完美摇篮“。由于量子线性系统遵循与经典系统相同的动力学，这些结果也适用于量子情况：例如，在一端局域化的波函数将演变为它在相反链端的镜像。
2020-08-04 physics.class-ph quant-ph
Harmonic oscillators coupled by springs: discrete solutions as a Wigner Quantum System
我们考虑一个由M个谐振子组成的一维量子系统，谐振子的固有频率为$ω$，通过弹簧耦合。这样的系统以前已经被研究过，并出现在各种模型中。在本文中，我们接近系统作为一个维格纳量子系统，不强加规范的对易关系，而是使用较弱的关系，从汉密尔顿方程和海森堡方程的兼容性。在这样的设置中，量子系统允许在有限维希尔伯特空间中的解，对于所有物理算子具有离散谱。我们证明了利用李超代数gl（1）的生成元可以得到一类解|M）。然后我们研究了gl（1）的一类酉表示中物理算子的性质和谱|M）。这些特性既有趣又耐人寻味。特别是，我们可以给出一个完整的分析的本征值的哈密顿量和位置和动量运营商（包括多重性）。我们还研究了量子系统处于定态时位置算符的概率分布，以及一个振子的位置对链中其余振子位置的影响。
2006-06-20 hep-th math-ph math.MP
An optically trapped mirror for reaching the standard quantum limit
University of Tokyo（东京大学）
本文提出利用三角光学腔体克服传统光学腔体在稳定性和灵敏度间的权衡问题，通过光学正扭簧效应实现高灵敏度的力测量。
2014-05-19 cs.SY eess.SY physics.optics
Towards thermal noise free optomechanics
热噪声通常大大超过光机械器件中的量子噪声，除非机械频率非常高或热力学温度非常低。本文介绍了一种新型光机器件的设计思想，该器件能够在音频频带内提高品质因数，而热噪声可以忽略不计。建议的系统包括一个最低限度的支持毫米级摆安装在一个双端镜晃动（DEMS）腔，是拓扑等效的中间膜（MIM）腔。高精细度腔内部的辐射压力允许高光学刚度、导致不想要的负阻尼的项的消除以及量子辐射压力噪声的抑制。我们解决了光学弹簧动力学的系统使用的哈密顿量，找到噪声谱密度，并表明稳定的光学捕获是可能的。我们还评估了各种损耗机制，其中最重要的是由于光学弹簧的加速损耗。我们表明，实际的设备，从0.1 Hz的质心摆频率开始，可以实现最大品质因数的$10^{14}$与光学弹簧加强频率1 - 10 kHz。质量为1 $μ$ g或更小的小型谐振器可以在100 kHz的频率下实现$10^{11}$的Q因子。这种器件的应用包括白光腔，用于改进引力波探测器，或能够在量子极限附近工作的传感器。
2016-08-22 physics.optics quant-ph
Multimode optomechanical dynamics in a cavity with avoided crossings
腔光学力学为控制光场和机械运动提供了强有力的方法。许多建议已经预测，这种控制可以在多个腔模式通过单个机械振荡器的运动彼此耦合的设备中得到相当大的扩展。在这里，我们研究这样一个多模光机械设备的动力学特性，其中腔模式之间的耦合的结果从机械诱导避免交叉腔的频谱。在避免的交叉点附近，我们发现光学弹簧显示出由腔模之间的相互作用产生的独特特征。精确地在一个避免的交叉，我们表明，特定形式的光学弹簧提供了一个经典的模拟的量子非爆破测量的腔内光子数。机械振荡器的布朗运动，在这些测量中的噪声的一个重要来源，是最小化操作的设备在低温温度（500 mK）。
2014-09-10 physics.optics quant-ph
Topological adiabatic dynamics in classical mass-spring chains with clamps
研究了具有钳位的经典谐振子链中绝热演化的路径依赖性。结果表明，切割和连接链可以编织绝热简正模频率。因此，具有相同端点的不同绝热路径可以将正常模式传输到不同的模式，并且绝热循环泵送动作变量，即，可积经典系统的绝热不变量。另一个绝热泵的人工边缘模式引起的钳位作为一个应用程序。扩展到完全可积系统和量子系统的概述。
2023-01-09 cond-mat.mes-hall physics.class-ph quant-ph
Quantum-Accelerated Solution of Nonlinear Equations from Variational Principles
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)（产业技术综合研究所）
研究源于变分原理的非线性平衡问题，基于梯度流线性化引入量子算法框架，将平衡条件转化为线性动力学系统，通过对非线性弹性问题验证，建立变分原理等间联系，为非线性物理系统量子算法开辟新途径。
2026-07-08 quant-ph
Practical Quantum Circuit Implementation for Simulating Coupled Classical Oscillators
针对一维弹簧-质量耦合振子，提出融合块编码、QSVT与振幅放大的量子电路实现，门复杂度在均匀情形达 O(log²N log(1/ε))，且数值结果与经典求解器一致。
2025-01-10 cs.CE quant-ph
Strong nanomechanical Duffing nonlinearity and interactions induced through cavity optomechanics
AMOLF；Australian Research Council Centre of Excellence in Quantum Biotechnology (QUBIC), School of Mathematics and Physics, University of Queensland（昆士兰大学数学与物理学院量子生物技术卓越中心）
该研究通过腔光机械学实现了强纳米机械非线性，利用光学激光驱动完全控制非线性，展示了可调的Duffing非线性及其在共振器网络中的可调非线性相互作用。
2026-05-18 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Analytic "Newton's cradles" with perfect transfer and fractional revival
给出了具有无色散脉冲传输和分数回复的质量弹簧链的解析解。这些是使用para-Racah多项式的属性获得的。这提供了实现量子信息中重要任务的量子自旋链的经典类似物：完美的状态转移和纠缠产生。
2021-08-20 math-ph math.MP physics.class-ph
