Teoria quantistica del rumore laser nell’optomeccanica di oggetti levitati basata sullo scattering coerente

Abstract degli autori

La purezza dello stato è una risorsa fondamentale per le verifiche sperimentali della meccanica quantistica con oggetti dotati di massa. Il raffreddamento in cavità di una nanoparticella levitata mediante scattering coerente si distingue come strategia per preparare stati molto puri del suo moto rototraslazionale. In diversi casi, tuttavia, le prestazioni del raffreddamento mediante scattering coerente sono limitate dalle fluttuazioni classiche del campo laser. Presentiamo una teoria quantistica degli esperimenti di scattering coerente che include l’effetto del rumore di ampiezza e di fase del laser. Ricaviamo un’equazione maestra per la dinamica della particella mediata sul rumore, valida sia per i gradi di libertà del centro di massa sia per quelli rotazionali, e quantifichiamo le prestazioni del raffreddamento a diversi livelli di rumore negli esperimenti all’avanguardia. Calcoliamo espressioni analitiche approssimate per i tassi di riscaldamento indotti dal rumore laser e per il numero di fononi in eccesso, sia nel regime di accoppiamento optomeccanico debole sia in quello forte. Il nostro modello può inoltre essere applicato a processi di rumore laser con densità spettrali di potenza generiche e tempi di correlazione finiti. Questo lavoro offre un insieme di strumenti per quantificare e ottimizzare la purezza dello stato negli esperimenti di scattering coerente e apre nuove prospettive per la preparazione di stati quantistici con sistemi levitati.