北京量子情報研究所: ファイバー-統合周波数変換を使用して、100 キロメートルにわたる量子もつれ分布を実現
1960 年代、レーザーの出現により、科学と応用の新時代が開かれました。スーパーマーケットのコードスキャンから近視手術に至るまで、従来のレーザー光子操作技術は長い間日常生活に組み込まれてきました。過去 20 年間、科学者たちは「フォノン」（機械振動の量子化されたエネルギー単位）を制御できる新しいレーザーの開発に成功してきました。フォノンを正確に制御することにより、もつれ状態などの独特の量子特性を利用するなど、レーザー技術にさらなる可能性がもたらされると期待されています。
米国のロチェスター大学とロチェスター工科大学の研究チームは最近、ナノメートル スケールでのフォノンの高精度制御を実現できるデュアルモード圧縮フォノン レーザーを開発しました。{0}{1}{1}
研究チームは、関連論文を Nature Communications 誌に発表しました。この論文では、ナノスケールの機械振動量子 (フォノン) がレーザーのようなコヒーレント出力を維持しながら、デュアルモード結合と非線形冷却によって熱雑音圧縮を達成し、フォノン レーザーの変動を大幅に低減する方法について詳しく説明しています。{0}{1}
この論文の責任著者の1人であるニック・ヴァミヴァカス教授とその共同研究者は、2019年に初めてフォノンレーザーを実証した。彼らは光ピンセットを使用してナノ粒子を捕捉し、真空中で浮遊させ、機械的振動によるフォノンのコヒーレント振動を達成した。
ただし、この技術を高精度の測定に使用できるようにするには、信号の正確な読み取りを妨げるノイズという重要な課題を克服する必要がありました。{0}{1}この問題はフォトンレーザーとフォノンレーザーの両方に存在します。
「レーザーは肉眼では安定した光線のように見えますが、実際には多数の変動があり、測定プロセスにノイズが混入する可能性があります。」 Nick Vamivakas 氏は、「光ピンセット サスペンション システムの 2 つの発振モードにパラメトリック結合変調を適用し、非線形パラメータ冷却と組み合わせることにより、フォノン レーザー変動の効果的な抑制を達成しました。」と説明しました。
この図は核となる装置と実験原理を示しています。 (a) は、光ピンセット サスペンション システムと、変調を通じて 2 つのモード結合を実現する方法を示しています。- (b) 非対称ポテンシャル井戸の生成と回転結合機構を説明します。 () は、エネルギー準位図を通じて 2 つの周波数の合計を駆動周波数として使用するフォノン ダウン変換プロセスを視覚的に示しています。これは、デュアル モード圧縮を達成するための物理的基礎です。-。
研究チームの主要なブレークスルーは、デュアルモード熱機械圧縮の実現です。光ピンセット内の浮遊シリカ ナノ粒子（直径 100nm）の x と y の 2 つの直交振動モードで、2 つのモード周波数の合計が結合変調の駆動周波数として使用されます。同時に、非線形パラメータの冷却と組み合わせることでシステムが安定化し、フォノンレーザー固有の熱雑音が直接圧縮および低減されます。
Nick Vamivakas 氏は、このノイズ抑制機能により、システムの加速度測定精度が従来のフォトン レーザーおよび高周波測定技術を上回ることができると述べました。
