Title (eng)
Quantum Control of Optomechanical Systems
Parallel title (deu)
Quantenkontrolle Optomechanischer Systeme
Author
Sebastian Hofer
Advisor
Markus Aspelmeyer
Assessor
Gerard Milburn
David Vitali
Abstract (deu)
Diese Arbeit befasst sich mit der Verwendung von Quantenverschräkung um die Kontrolle über optomechanische Systeme zu verbessern. Wir beschäftigen uns als erstes mit gepulsten Protokollen, in denen die Strahlungsdruckwechselwirkung ausgenutzt wird um EPR Verschränkung zwischen einem mechanischen Oszillator und einem Lichtpuls zu erzeugen. Diese kann dazu genutzt werden um auf Basis eines Teleportationsprotokolles einen beliebigen Quantenzustand eines Lichtpulses auf den mechanischen Oszillator zu übertragen. Wir untersuchen weiters wie man mit Hilfe der Detektion einzelner Photonen einen nichtklassischen mechanischen Zustand, d.h., einen Quantenzustand mit negativer Wignerfunktion, zu präparieren. Auf ähnliche Weise ist es außerdem möglich ein optomechanisches System zur Verletzung einer Bellschen Ungleichung zu benutzen.
Der zweite Teil des Manuskriptes ist der zeitkontinuierlichen Kontrolle optomechanischer Quantensysteme gewidmet. Unter Verwendung von optimalen Steuerungstechniken kann ein mechanisches System durch kontinuierliche Messung und Rückkoppelung in seinen Bewegungsgrundzustand gebracht werden---dies ist auch möglich im seitenbandaufgelösten, blauverstimmten Regime. Anschließend diskutieren wir eine Erweiterung dieses Protokolls auf eine sogenannte zeitkontinuierliche Bellmessung, die eine Generalisierung der standard Bellmessung kontinuierlicher Variablen darstellt. Dieses Konzept ermöglicht es, einen mechanischen Oszillator in einem gequetschten stationären Zustand zu präparieren, oder stationäre Verschränkung zweier mechanische Resonatoren zu erzeugen. Abschließend diskutieren wir ein Experiment, das die Rekonstruktion des sogenannten konditionalen Quantenzustand eines optomechanischen Systems demonstriert. Dieses Experiment stellt einen wichtigen ersten Schritt in Richtung der möglichen Durchführung der in dieser Arbeit diskutierten Protokolle dar.
Abstract (eng)
This thesis explores the prospects of entanglement-enhanced quantum control of optomechanical systems. We first discuss several pulsed schemes in which the radiation-pressure interaction is used to generate EPR entanglement between the mechanical mode of a cavity-optomechanical system and a travelling-wave light pulse. The entanglement created in this way can be used as a resource for mechanical state preparation. On the basis of this protocol, we introduce an optomechanical teleportation scheme to transfer an arbitrary light state onto the mechanical system. Furthermore, we describe how one can create a mechanical non-classical state (i.e., a state with a negative Wigner function) by single-photon detection, and, in a similar protocol, how optomechanical systems can be used to demonstrate the violation of a Bell inequality.
The second part of the thesis is dedicated to time-continuous quantum control protocols. Making use of optimal-control techniques, we analyse measurement-based feedback cooling of a mechanical oscillator and demonstrate that ground-state cooling is achievable in the sideband-resolved, blue-detuned regime. We then extend this homodyne-detection based setup and introduce the notion of a time-continuous Bell measurement---a generalisation of the standard continuous variable Bell measurement to a continuous measurement setting. Combining this concept with continuous feedback we analyse the generation of a squeezed mechanical steady state via time-continuous teleportation, and the creation of bipartite mechanical entanglement by entanglement swapping. Finally we discuss an experiment demonstrating the evaluation of the conditional optomechanical quantum state by Kalman filtering, constituting a important step towards time-continuous quantum control of optomechanical systems and the possible realisation of the protocols presented in this thesis.
Keywords (eng)
quantum controloptomechanicsentanglement
Keywords (deu)
QuantenkontrolleOptomechanikVerschränkung
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1320566
rdau:P60550 (deu)
XVII, 170 S. : Ill., graph. Darst.
Number of pages
205
Association (deu)
Title (eng)
Quantum Control of Optomechanical Systems
Parallel title (deu)
Quantenkontrolle Optomechanischer Systeme
Author
Sebastian Hofer
Abstract (deu)
Diese Arbeit befasst sich mit der Verwendung von Quantenverschräkung um die Kontrolle über optomechanische Systeme zu verbessern. Wir beschäftigen uns als erstes mit gepulsten Protokollen, in denen die Strahlungsdruckwechselwirkung ausgenutzt wird um EPR Verschränkung zwischen einem mechanischen Oszillator und einem Lichtpuls zu erzeugen. Diese kann dazu genutzt werden um auf Basis eines Teleportationsprotokolles einen beliebigen Quantenzustand eines Lichtpulses auf den mechanischen Oszillator zu übertragen. Wir untersuchen weiters wie man mit Hilfe der Detektion einzelner Photonen einen nichtklassischen mechanischen Zustand, d.h., einen Quantenzustand mit negativer Wignerfunktion, zu präparieren. Auf ähnliche Weise ist es außerdem möglich ein optomechanisches System zur Verletzung einer Bellschen Ungleichung zu benutzen.
Der zweite Teil des Manuskriptes ist der zeitkontinuierlichen Kontrolle optomechanischer Quantensysteme gewidmet. Unter Verwendung von optimalen Steuerungstechniken kann ein mechanisches System durch kontinuierliche Messung und Rückkoppelung in seinen Bewegungsgrundzustand gebracht werden---dies ist auch möglich im seitenbandaufgelösten, blauverstimmten Regime. Anschließend diskutieren wir eine Erweiterung dieses Protokolls auf eine sogenannte zeitkontinuierliche Bellmessung, die eine Generalisierung der standard Bellmessung kontinuierlicher Variablen darstellt. Dieses Konzept ermöglicht es, einen mechanischen Oszillator in einem gequetschten stationären Zustand zu präparieren, oder stationäre Verschränkung zweier mechanische Resonatoren zu erzeugen. Abschließend diskutieren wir ein Experiment, das die Rekonstruktion des sogenannten konditionalen Quantenzustand eines optomechanischen Systems demonstriert. Dieses Experiment stellt einen wichtigen ersten Schritt in Richtung der möglichen Durchführung der in dieser Arbeit diskutierten Protokolle dar.
Abstract (eng)
This thesis explores the prospects of entanglement-enhanced quantum control of optomechanical systems. We first discuss several pulsed schemes in which the radiation-pressure interaction is used to generate EPR entanglement between the mechanical mode of a cavity-optomechanical system and a travelling-wave light pulse. The entanglement created in this way can be used as a resource for mechanical state preparation. On the basis of this protocol, we introduce an optomechanical teleportation scheme to transfer an arbitrary light state onto the mechanical system. Furthermore, we describe how one can create a mechanical non-classical state (i.e., a state with a negative Wigner function) by single-photon detection, and, in a similar protocol, how optomechanical systems can be used to demonstrate the violation of a Bell inequality.
The second part of the thesis is dedicated to time-continuous quantum control protocols. Making use of optimal-control techniques, we analyse measurement-based feedback cooling of a mechanical oscillator and demonstrate that ground-state cooling is achievable in the sideband-resolved, blue-detuned regime. We then extend this homodyne-detection based setup and introduce the notion of a time-continuous Bell measurement---a generalisation of the standard continuous variable Bell measurement to a continuous measurement setting. Combining this concept with continuous feedback we analyse the generation of a squeezed mechanical steady state via time-continuous teleportation, and the creation of bipartite mechanical entanglement by entanglement swapping. Finally we discuss an experiment demonstrating the evaluation of the conditional optomechanical quantum state by Kalman filtering, constituting a important step towards time-continuous quantum control of optomechanical systems and the possible realisation of the protocols presented in this thesis.
Keywords (eng)
quantum controloptomechanicsentanglement
Keywords (deu)
QuantenkontrolleOptomechanikVerschränkung
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1320567
Number of pages
205
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