量子物理学：機械運動の測定型量子制御

量子系のダイナミクスの観測結果を用いた量子系の制御は、測定過程の反作用、すなわち量子系と測定装置の結合に起因する不可避の量子擾乱によって複雑になる。効率の良い測定とは、被った擾乱当たりで得られる情報量を最大化する測定である。それによって、実時間フィードバックを用いて測定の反作用を相殺し、量子状態の発展を制御できる。そのような測定に基づく量子制御（測定型量子制御）は、共振器量子電気力学や回路量子電気力学のクリーンな系では実証されているが、運動自由度への応用は実現していなかった。本論文では、ミリメートルサイズの薄膜共振器の運動における測定型量子制御を実証する。オプトメカニカル変換器は、共振器の零点運動をミリ秒スケールのコヒーレンス時間の数分の1で分解し、その全体測定効率は1に近い。電気的フィードバックループは、この位置記録を、共振器モードを量子基底状態（残留熱的占有数は約0.29）へ冷却する力に変換する。この占有数はサイドバンド冷却の量子反作用限界を9 dB下回り、熱環境の平衡占有数よりも6桁小さい。従って我々は、測定型量子制御が可能な自由度に位置と運動量を加えることで、この分野の長年の目標を実現しており、これは量子情報処理や重力波検出器に応用できる可能性がある。

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