量子物理学：室温での機械的運動のリアルタイム最適量子制御

測定とフィードバックによって物理系のダイナミクスを正確に制御する能力は、現代工学の柱である。現在、応用量子技術がますます求められるようになっており、個々の量子系にもこのレベルでの制御を適用する必要がある。これを最適な方法で実現することは、量子限界測定と、状態推定やフィードバックに特別に最適化したアルゴリズムの両方を必要とする困難な課題である。これまで実現に成功しているのは、光学系や原子系のレベルでの実験などである。今回我々は、光学的に捕捉されたナノ粒子の量子軌道のリアルタイム最適制御を実証する。我々は、ハイゼンベルク限界に近い共焦点位置検出とカルマンフィルタリングによる最適状態推定を組み合わせて、位相空間における粒子の運動を、零点ゆらぎの1.3倍の位置不確かさでリアルタイムで追跡した。最適なフィードバックによって、量子調和振動子の平均占有率を0.56 ± 0.02量子に安定化することが可能になり、室温からの量子基底状態冷却が実現された。今回の成果は、量子カルマンフィルタリングを、機械的運動の量子制御を実現する方法として確立するものであり、あらゆるスケールでのセンシングに影響を及ぼす可能性がある。また、この方法を浮揚と組み合わせることで、線形系や非線形系における固体の巨視的な量子物体の波束ダイナミクスのフルスケールの制御への道が開かれる。

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