Quantum amplification of mechanical oscillator motion
对自然界中最弱的力的探测和对新物理学的探索都得益于对机械振荡器运动的日益灵敏的测量。然而，对振荡器运动的可获得的知识受到量子涨落的限制，即使振荡器处于其最低可能的能量状态也存在量子涨落。在这里，我们展示了一个广泛适用的技术，用于放大相干位移的机械振荡器的初始幅度远低于这些零点波动。当在小位移之前和之后施加两个正交的"压缩"相互作用时，位移被放大，理想情况下没有增加量子噪声。我们用一个捕获离子的机械振荡器实现了这个协议，并测量到对小位移的灵敏度增加了17.5（3）分贝。
2018-12-05 physics.atom-ph quant-ph
Selective linear or quadratic optomechanical coupling via measurement
利用机械谐振器设计线性和非线性耦合的能力是制备和研究宏观力学量子行为的重要目标。在这项工作中，提出了一种基于测量的方案，其中可以使用与机械位置成线性比例的光机相互作用来实现线性或平方机械位移耦合。将所得的平方位移测量强度与使用与机械位移平方的直接相互作用的色散情况下可获得的强度进行比较。实验协议和参数集讨论的机械元件的运动的非高斯状态的产生和观察。
2011-10-11 cond-mat.mes-hall quant-ph
Shot-to-shot displacement noise in state-expansion protocols with inverted potentials
本研究通过实验分析了倒置势能中光子位移噪声对悬浮纳米颗粒相干长度的影响，揭示了电场和机械不稳定性的主要来源，并讨论了相关实验要求。
2025-12-12 quant-ph
Mean square displacement of a free quantum particle in a thermal state
在热平衡下，质量为$m$的自由粒子的位置$x$的均方位移$\langle\left(x(t)-x(0)\right)^2\rangle$被量子力学地评估。得到了一个解析表达式，它表明均方位移随时间呈二次增长，然后呈线性增长，其斜率为$\hbar/m$，与经典统计力学的结果有很大差异。结果进行了讨论，从氦散射或自旋回波实验的观测值，其可能的解释方面的经典和量子力学的表达基本上是自由的粒子的均方位移。
2020-08-14 physics.chem-ph quant-ph
Angular displacement readout of a mechanical oscillator with a guided mode resonance
Wyant College of Optical Sciences, University of Arizona（亚利桑那大学怀雅特光学学院）
该研究利用导模共振（GMR）结构实现了相干增强的角位移读取，在纳瓦级光功率下分辨出Q≈10⁶扭转模的热运动，确立了量子光力传感器角位移读取的片上方法。
2026-08-17 cond-mat.mes-hall physics.ins-det physics.optics
High-sensitivity monitoring of micromechanical vibration using optical whispering gallery mode resonators
高精细度光学微谐振器中光学和机械模式的固有耦合为微机械振动提供了自然的、高灵敏度的换能机制。使用零差和偏振光谱技术，我们实现了10^（-19）m Hz^（-1/2）的散粒噪声限制的位移灵敏度。以前所未有的方式，这使得能够检测和研究各种机械模式，这些模式被识别为径向呼吸，弯曲和扭转模式，使用三维有限元建模。此外，宽带等效位移噪声的测量和发现同意与二氧化硅介质腔中的热折射噪声模型。基态冷却，位移传感和克尔压缩的影响进行了讨论。
2008-05-12 quant-ph
High-sensitivity optical measurement of mechanical Brownian motion
我们描述了一个实验，其中激光束被发送到一个高精细光学腔与反射镜涂在机械谐振器。我们表明，反射光是非常敏感的小镜位移。我们以很高的灵敏度观察到了谐振腔的布朗运动。
1999-09-03 quant-ph
Quantum analysis of a nonlinear microwave cavity-embedded dc SQUID displacement detector
我们进行了量子分析的dc SQUID机械位移检测器，包括一个SQUID与机械兼容的环段，这是嵌入在微波传输线谐振器。SQUID被近似为一个非线性的，电流相关的电感，诱导外磁通可调，非线性Duffing自相互作用项的微波谐振器模式方程。顺应性SQUID环段的运动通过外部通量穿过SQUID环中的变化被感应地转换，给出微波和机械谐振器模式之间的有质动力的辐射压力型耦合。推导了探测器信号响应和噪声的表达式，发现软弹簧Duffing自相互作用使位移探测标准量子极限更接近，并且冷却更接近基态。
2008-06-25 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Dynamics of coupled vibration modes in a quantum non-linear mechanical resonator
我们研究了两个非线性耦合的弯曲模式的双夹持悬挂梁（纳米机械谐振器）的行为。其中一种模式是外部驱动的。我们证明，经典的非驱动模式的行为是让人想起的参数驱动的线性振荡器：它表现出阈值行为，与此模式的幅度低于阈值正好为零。量子力学，我们能够访问低于经典参数阈值的这种模式的动力学。我们表明，而这种模式的平均位移仍然是零，均方位移是有限的，并在阈值对应于占领数的1/2。这种非驱动模式的有限位移可以作为量子运动的实验可验证的量子签名。
2013-09-24 cond-mat.mes-hall quant-ph
Optimal estimation with quantum optomechanical systems in the nonlinear regime
我们研究了含时非线性光力学哈密顿量中包含的参数的精确测量的基本界限，该哈密顿量包括非线性光物质耦合，机械位移项和单模机械压缩项。通过使用最近发展的方法来解决这个系统的动力学，我们推导出了量子费舍尔信息的一般表达式，并通过三个具体的例子证明了它的适用性：估计的强度的非线性光物质耦合，时间调制的机械位移的强度，和单模机械压缩参数，所有这些都是在共振调制。我们的结果可以用来计算一个非线性光学机械系统的一些外部和内部的影响，如力作用在系统上或调制的光-物质耦合的灵敏度。
2020-02-19 quant-ph
Storing light as a mechanical excitation in a silica optomechanical resonator
我们报道了在石英谐振腔中进行光机械光存储的实验演示。我们使用的写入和读出激光脉冲调谐到一个机械频率以下的光学腔谐振控制之间的耦合的机械位移和腔谐振的光场。写入脉冲将腔谐振处的信号脉冲映射到机械激励。读出脉冲随后将机械激发转换回光脉冲。光存储寿命由机械激励的相对长的阻尼时间决定。
2011-06-22 quant-ph
Sensitivity of a micromechanical displacement detector based on the radio-frequency single-electron transistor
研究了隧道散粒噪声对基于金属结射频单电子晶体管（rf-SET）的微机械位移探测器灵敏度的限制。与rf-SET静电计的电荷灵敏度相比，位移灵敏度随着栅极电压偏置的增加而提高，并且利用适当优化的rf-SET，$10^{-6} {\rmÅ}/\sqrt{\rm Hz}$的位移灵敏度是可能的。
2000-09-19 cond-mat.mes-hall quant-ph
Steady-state mechanical squeezing in a hybrid atom-optomechanical system with a highly dissipative cavity
机械谐振子的量子压缩对于研究宏观量子效应和弱力的精确计量具有重要意义。本文研究了一个原子-光机混合系统，在该系统中，机械谐振腔的稳态压缩可以通过机械非线性和腔冷却过程来实现。通过数值模拟机械位移求积的稳态方差来评估该方案的有效性。该方案对光腔的耗散具有鲁棒性，在高耗散腔中可以有效地产生稳态压缩。
2015-12-21 quant-ph
Quantum dynamics of two-optical modes and a single mechanical mode optomechanical system: selective energy exchange
我们研究了由两个光学模和一个机械模组成的光机系统的量子动力学。我们证明了相同的系统可以经历Dicke-Hepp-Lieb超辐射型相变。我们发现两个光场的动量积分之间的耦合产生了一个新的临界点。我们表明，任何两个模式之间的选择性能量交换是可能的耦合参数的相干控制。此外，我们还证明了发生正常模式分裂（NMS）的机械位移谱。
2013-02-06 quant-ph
Realization of quantum mechanical weak values of observables using entangled photons
提出了一种利用参量下转换产生的纠缠光子实现量子力学弱观测值的方案。我们考虑了信号模和闲频模分别处于相干态和真空的情况。我们使用低效率的探测器来探测闲频模式的光子，这种弱探测导致信号场量子态的大位移和涨落，可以通过监测光子数和正交分布来研究。
2006-12-22 quant-ph
Noise-Limited Sensitivity in Cavity Optomechanical Molecular Sensing Enabled by Quantum Zero-Point Displacement Coupling and Strong Photon-Phonon Interaction for Chiral Detection
本文提出多层混合等离激元-机械谐振器的量子极限光机械平台，利用零点运动与强光子-声子耦合实现亚皮牛力噪声下的手性分子实时区分。
2025-07-26 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Opto-mechanical micro-macro entanglement
我们提出通过将光的纠缠态的一个分量存储在一个机械谐振器中，然后将其取回，从而产生和检测光机纠缠。利用最近实验证明的光的微观-宏观纠缠，可以产生叠加的分量在宏观上不同的光机纠缠态。我们将这种一般的方法应用到双模压缩态，其中一个模式已经经历了一个大的位移。通过对相关实验缺陷的分析，认为该方案在现有技术条件下是可行的。
2014-01-10 quant-ph
Quantum mechanical counterpart of nonlinear optics
拉曼型激光激发囚禁原子可以实现非线性光学现象的量子力学对应物，如克尔型非线性，参量放大和多模混合。此外，原子波函数与激光波的干涉产生了巨大的非线性。它们导致相空间的分区伴随着在相邻的相空间区域中的时间演化的显著不同的动作。例如，运动量子态的非线性修正的相干“位移”可以引起强振幅压缩和量子干涉。
1997-05-15 quant-ph
Generation of the superposition of mesoscopic states of nano-mechanical resonator by a single two-level system
我们提出了基于测量的纳米机械谐振器运动态叠加的条件生成。我们考虑一个通过声子交换与纳米机械谐振腔耦合的二能级量子力学系统。通过两个谐振激光器驱动量子比特来实现相互作用，该相互作用根据量子比特的状态在纳米机械谐振器的状态中产生移位。对量子力学系统态的测量产生了纳米机械谐振器的叠加态。我们证明了叠加态间的量子干涉可以导致谐振腔中任意大的位移。我们还利用维格纳函数讨论了生成态的退相干。
2017-04-10 quant-ph
Demonstration of Tunable Displacement-Measurement-Sensitivity using Variable Group Index in a Ring Resonator
我们表明，腔内介质与正常色散的腔谐振频率的灵敏度降低其长度的变化成反比的因素组指数。由于原子介质中的群指数可以非常大，这种效应可以帮助构建用于各种潜在应用的高频率稳定腔，而无需采取额外的机械稳定性措施。结果还间接建立了增强的灵敏度，可以实现对应于一个组指数接近零值的负色散的相反效果。这种增强又可用于显著提高环形激光陀螺的灵敏度。
2007-02-21 quant-ph
Truncated nonlinear interferometry for quantum enhanced atomic force microscopy
近年来，用非线性放大器代替马赫-曾德尔干涉仪中的分束器进行量子增强相位测量的非线性干涉仪引起了越来越多的兴趣，但基于非线性干涉测量的实用量子传感器仍然是一个突出的挑战。在这里，我们展示了第一个实际应用的非线性干涉测量的原子力显微镜微悬臂梁的位移与量子噪声降低高达3 dB以下的标准量子极限，对应于量子增强测量的光束位移的$\mathrm{1.7~fm/\sqrt{Hz}}$。此外，我们展示了如何最大限度地减少光子反作用噪声，同时利用量子噪声降低转导的悬臂梁位移信号与弱压缩状态，同时使用双零差检测与更高的功率本地振荡器。这种方法提供了一条通往量子增强宽带，高速扫描探针显微镜的道路。
2019-12-22 quant-ph
Thermoelastic effects at low temperatures and quantum limits in displacement measurements
在标准量子极限下读出位移所需的低温、高反射率和高光功率下，可以使光学机械装置中的反射镜的位移波动小于量子波动，所述位移波动是通过由热力学波动或光子吸收波动引起的温度波动引起的热膨胀引起的。这一结果与量子极限引力波探测器的设计有关，包括“干涉仪”和“杆”，以及直接研究量子机制中机械运动的实验。
2001-01-10 gr-qc quant-ph
Superconducting inductive displacement detection of a microcantilever
我们展示了一种超导电感技术来测量微机械谐振器的位移。在我们的方案中，I型超导微球连接到微悬臂梁的自由端，并接近直流超导量子干涉器件（SQUID）微位移计的回路。由与SQUID同心的场线圈产生的低至100 $μ$ T的局部磁场使得能够检测$4.2$ K下的悬臂梁热机械噪声。磁-机耦合和磁弹簧与假设纯迈斯纳效应的镜像法计算结果吻合得很好。这些测量结果与最近提出的基于悬浮超导微粒的量子磁力学实验有关。
2014-05-14 cond-mat.mes-hall physics.ins-det quant-ph
Cavity electromechanics with parametric mechanical driving
在过去的几年中，微波光机械电路已被证明是非常powerfool工具，探索宏观机械振荡器的基础物理，以及作为有前途的候选人，为新的芯片上的量子限制微波器件。在迄今为止的大多数实验中，机械振荡器要么被用作无源器件元件，其位移使用超导腔来检测，要么由腔内场来操纵。在这里，我们探讨了直接和参数化操纵腔机电系统的机械纳米梁谐振器的可能性，这为微波光机械设备的工具箱提供了额外的功能。除了使用腔作为干涉仪来检测参数调制的机械位移和压缩热机械运动，我们证明了纳米梁谐振频率的参数调制可以实现腔内微波光子的相敏参量放大器。与使用机电电路的许多其他微波放大方案相比，所提出的技术允许机械元件的同时冷却，这可能使这种类型的光机械微波放大器成为量子限制的。
2019-08-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Displacement of propagating squeezed microwave states
光的传播量子态的位移是量子通信的基本操作。它使宏观量子相干性的基础研究成为可能，并在连续变量的量子隐形传态协议中发挥着重要作用。在我们的实验中，我们已经成功地实现了这种操作的压缩微波态的传播。我们证明，即使在强位移振幅下，重构量子态的压缩能级也没有退化。此外，我们证实了位移压缩态产生的路径纠缠在很宽的位移功率范围内保持不变。
2016-01-25 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Ultrasensitive measurement of MEMS cantilever displacement sensitivity below the shot noise limit
微机电系统（MEMS）杠杆的位移用于测量从力显微镜到生化传感器再到热成像系统的各种设备中的各种现象。我们演示了第一次直接测量的MEMS悬臂位移的噪声地板在40%的散粒噪声限制（SNL）。通过将多空间模式量子光源与简单的差分测量相结合，我们表明，与以前的努力相比，亚SNL MEMS位移灵敏度是非常容易获得的，这些努力测量了具有非常独特的空间结构的宏观镜的位移，这些空间结构由多个光学参量放大器和锁定环制成。这些结果支持一类新的量子MEMS传感器，其最终信噪比由量子相关性决定，从而实现超痕量传感、成像和显微镜应用，其中信号先前被散粒噪声遮蔽。
2015-06-29 physics.optics quant-ph
Strong dispersive coupling of a high finesse cavity to a micromechanical membrane
宏观力学对象和电磁自由度通过辐射压力相互耦合。具有足够强耦合的光机系统被预测会表现出量子效应，并且是一个相当感兴趣的话题。达到这种状态的设备将提供对光和物质的量子态的新型控制，并将提供一个探索量子物理和经典物理之间边界的新舞台。迄今为止的实验已经实现了足够的光学机械耦合到激光冷却的机械设备，但尚未达到量子制度。该领域的突出技术挑战是将敏感的微机械元件（必须小、轻和柔性）集成到高精细度腔（通常更刚性和更大）中，而不损害两者的机械或光学特性。第二个也是更基本的挑战是读出机械元件的量子态：位移测量（无论多么灵敏）都不能确定振荡器的能量本征态，而与位移以外的量耦合的测量一直难以实现。在这里，我们提出了一种新的光学机械系统，似乎解决这两个挑战。我们展示了一个腔，这是失谐的薄介质膜之间放置两个宏观的，刚性的，高精细度的镜子的运动。这种方法将光学和机械功能分离到物理上不同的结构，并避免损害任何一个。它还允许直接测量膜位移的平方，因此原则上可以测量膜的能量本征态。我们估计用这个方案观察力学系统的量子跃迁是可行的。
2007-07-13 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Cooling of a Micro-mechanical Resonator by the Back-action of Lorentz Force
采用半经典方法，我们描述了一个芯片上的冷却协议的微机械谐振器采用超导磁通量子比特。由谐振器位移的被动反作用产生的洛伦兹力可以通过向量子比特施加适当的微波驱动来冷却机械谐振器的热运动。我们表明，这种芯片上的冷却协议，具有良好的控制冷却功率和被动反作用的可调响应时间，可以是非常有效的。在适当的实验参数下，谐振腔的有效模温可以降低几个数量级。
2009-02-13 cond-mat.mes-hall quant-ph
State Transfer Between a Mechanical Oscillator and Microwave Fields in the Quantum Regime
最近，通过直接制冷[1]或制冷和激光冷却的组合[2，3]，宏观机械振荡器已经被诱导到量子行为的状态。这个令人兴奋的结果鼓励了这样的概念，即机械振荡器可以在超导电路处理量子信息中执行有用的功能[1，4-7]，或者作为微波场短暂状态的量子存储器，或者通过在其他不兼容的系统之间提供量子接口[8，9]。到目前为止，由于不能灵活地打开和关闭微波电和机械运动之间的相互作用，微波场的巡回状态或传播模式到机械振荡器和从机械振荡器的转移还没有被证明。在这里，我们证明了一个巡回微波场的状态可以相干地转移到，存储在，并从一个机械振荡器的振幅在单量子水平检索。重要的是，捕获和恢复微波态的时间比机械振荡器的量子态寿命短。在这种量子状态下，机械振荡器既可以存储又可以再现量子信息。
2012-06-25 cond-mat.supr-con quant-ph
Spectroscopy of mechanical dissipation in micro-mechanical membranes
我们测量了SiN薄膜振荡器的机械品质因数（Q）的频率依赖性，并观察到Q的共振变化超过两个数量级。基本机械模式的频率通过激光局部加热可逆地调谐高达40%。几个不同的共振Q观察到，可以解释耦合到膜框架模式。远离共振，背景Q与测量范围内的频率和温度无关。
2011-08-12 cond-mat.mes-hall quant-ph
Resonant tunneling diodes in semiconductor microcavities: modeling polaritonic features in the THz displacement current
在这项工作中，我们开发了一个简单的定性量子电子输运模型，在强的光-物质耦合制度下偶极近似，能够捕获极化激子签名随时间变化的电流。分析了量子化电磁场对共振隧穿二极管光腔内位移电流的影响。由于电子-光子共振相互作用，裸电子透射系数的原始峰分裂为两个新峰，导致系统在强耦合区域中发展的极化子态之间出现相干拉比振荡。这模拟了Jaynes-Cummings模型在封闭系统中预测的已知效应，并展示了电子和电磁场的全量子处理如何为设计新的THz电子器件开辟有趣的道路。太赫兹电流的多时间测量所涉及的计算负担是通过调用光-物质相互作用的玻姆描述来解决的。我们还表明，传统的静态传输系数用于表征直流量子电子器件的高频交流的情况下，必须由一个新的位移电流系数取代。
2022-11-15 cond-mat.mes-hall physics.app-ph quant-ph
Near-field integration of a SiN nanobeam and a SiO$_2$ microcavity for Heisenberg-limited displacement sensing
将纳米机械物体放置在高$Q$光学微腔的消逝近场中，可以获得强梯度力和量子噪声限制的位移读出，为精密传感技术和基础量子光学研究提供了一个有吸引力的平台。然而，稳健地实现该平台是具有挑战性的，因为它需要通过$\lesssimλ/10$分离光学光滑表面。在这里，我们描述了一个完全集成的倏逝光纳米机械传感器的基础上的高应力Si $_3$ N $_4$纳米梁单片悬浮在一个SiO $_2$微盘腔。采用一种新的垂直集成技术的基础上平坦化的牺牲层，我们实现了小至25 nm的梁盘间隙，同时保持机械$Q\times f>10^{12}$ Hz和固有的光学$Q\sim10^7$。组合的低损耗、小间隙和平行平面几何形状导致异常有效的转导，其特征在于具有100 kHz的真空光机械耦合率的射频弯曲模式、超过1的单光子协同性和10 kHz（fm）/ $\surd$ Hz的零点频率（位移）噪声幅度。结合SiO $_2$的高功率处理能力和低外来衬底噪声，该传感器作为传感器工作得特别好。将其部署在4 K低温恒温器中，我们最近证明了在标准量子极限（SQL）下的位移不精确度低于40 dB，具有不精确反作用产品$<5\cdot\hbar$。在这份报告中，我们提供了一个全面的描述设备的设计，制造和表征，重点是扩展海森堡有限读出到室温。为此，我们描述了一个室温实验，其中实现了比SQL低30 dB的位移不精确度和不精确反作用积$…
2016-01-25 cond-mat.mes-hall physics.ins-det physics.optics
