We present a number of approaches, currently in experimental development in our research groups, toward the general problem of macroscopic quantum mechanics, i.e., manifestations of quantum noise and quantum fluctations with macroscopic (engineered and microfabricated by man) mechanical systems. Discussed experiments include a pendulum, a torsion pendulum, a ng-scale phononic-crystal silicon nitride membrane, a g-scale quartz resonator, and mg-scale mirrors for optical levitation. We also discuss relevant applications to quantum thermometry with optomechanical systems and the use of squeezed light to probe displacements beyond conventional quantum limits.
References
1.
D.
Ramos
, E.
Gil-Santos
, V.
Pini
, J. M.
Llorens
, M.
Fernández-Regúlez
, A.
San Paulo
, M.
Calleja
, and J.
Tamayo
, Nano Lett.
12
, 932
(2012
).2.
M.
Li
, W. H. P.
Pernice
, and H. X.
Tang
, Nat. Photonics
3
, 464
(2009
).3.
P. F.
Cohadon
, A.
Heidmann
, and M.
Pinard
, Phys. Rev. Lett.
83
, 3174
(1999
).4.
O.
Arcizet
, P.-F.
Cohadon
, T.
Briant
, M.
Pinard
, and A.
Heidmann
, Nature
444
, 71
(2006
).5.
S.
Gigan
, H. R.
Böhm
, M.
Paternostro
, F.
Blaser
, G.
Langer
, J. B.
Hertzberg
, K. C.
Schwab
, D.
Bäuerle
, M.
Aspelmeyer
et al., Nature
444
, 67
(2006
).6.
J. D.
Teufel
, T.
Donner
, D.
Li
, J. W.
Harlow
, M. S.
Allman
, K.
Cicak
, A. J.
Sirois
, J. D.
Whittaker
, K. W.
Lehnert
et al., Nature
475
, 359
(2011
).7.
A. H.
Safavi-Naeini
, J.
Chan
, J. T.
Hill
, T. P. M.
Alegre
, A.
Krause
, and O.
Painter
, Phys. Rev. Lett.
108
, 033602
(2012
).8.
V. B.
Braginsky
, F. Y.
Khalili
, and K. S.
Thorne
, Quantum Measurement
(Cambridge University Press
, 1992
).9.
P. R.
Saulson
, Phys. Rev. D
42
, 2437
(1990
).10.
Y.
Levin
, Phys. Rev. D
57
, 659
(1998
).11.
F.
Bondu
, P.
Hello
, and J.
Vinet
, Phys. Lett. A
246
, 227
(1998
).12.
A. M.
Gretarsson
, G. M.
Harry
, P. R.
Saulson
, S. D.
Penn
, W. J.
Startin
, J.
Hough
, S.
Rowan
, and G.
Cagnoli
, Phys. Lett. A
270
, 108
(2000
).13.
D. J.
Wilson
, V.
Sudhir
, N.
Piro
, R.
Schilling
, A.
Ghadimi
, and T. J.
Kippenberg
, Nature
524
, 325
(2015
).14.
M.
Rossi
, D.
Mason
, J.
Chen
, Y.
Tsaturyan
, and A.
Schliesser
, Nature
563
, 53
(2018
).15.
A. G.
Kuhn
, M.
Bahriz
, O.
Ducloux
, C.
Chartier
, O.
Le Traon
, T.
Briant
, P.-F.
Cohadon
, A.
Heidmann
, C.
Michel
et al., Appl. Phys. Lett.
99
, 121103
(2011
).16.
M.
Poggio
, C. L.
Degen
, H. J.
Mamin
, and D.
Rugar
, Phys. Rev. Lett.
99
, 017201
(2007
).17.
D.
Hälg
, T.
Gisler
, Y.
Tsaturyan
, L.
Catalini
, U.
Grob
, M.-D.
Krass
, M.
Hé ritier
, H.
Mattiat
, A.-K.
Thamm
et al., Phys. Rev. Appl.
15
, L021001
(2021
).18.
R. W.
Andrews
, R. W.
Peterson
, T. P.
Purdy
, K.
Cicak
, R. W.
Simmonds
, C. A.
Regal
, and K. W.
Lehnert
, Nat. Phys.
10
, 321
(2014
).19.
M. F.
Gely
and G. A.
Steele
, AVS Quantum Sci.
3
, 035601
(2021
).20.
Y.
Tsaturyan
, A.
Barg
, E. S.
Polzik
, and A.
Schliesser
, Nat. Nanotechnol.
12
, 776
(2017
).21.
A. H.
Ghadimi
, S. A.
Fedorov
, N. J.
Engelsen
, M. J.
Bereyhi
, R.
Schilling
, D. J.
Wilson
, and T. J.
Kippenberg
, Science
360
, 764
(2018
).22.
Q. P.
Unterreithmeier
, T.
Faust
, and J. P.
Kotthaus
, Phys. Rev. Lett.
105
, 027205
(2010
).23.
P.-L.
Yu
, T. P.
Purdy
, and C. A.
Regal
, Phys. Rev. Lett.
108
, 083603
(2012
).24.
E.
Ivanov
, T.
Capelle
, M.
Rosticher
, J.
Palomo
, T.
Briant
, P.-F.
Cohadon
, A.
Heidmann
, T.
Jacqmin
, and S.
Deléglise
, Appl. Phys. Lett.
117
, 254102
(2020
).25.
L. G.
Villanueva
and S.
Schmid
, Phys. Rev. Lett.
113
, 227201
(2014
).26.
A. M.
Jayich
, J. C.
Sankey
, B. M.
Zwickl
, C.
Yang
, J. D.
Thompson
, S. M.
Girvin
, A. A.
Clerk
, F.
Marquardt
, and J. G. E.
Harris
, New J. Phys.
10
, 095008
(2008
).27.
R. A.
Norte
, J. P.
Moura
, and S.
Gröblacher
, Phys. Rev. Lett.
116
, 147202
(2016
).28.
X.
Chen
, C.
Chardin
, K.
Makles
, C.
Caër
, S.
Chua
, R.
Braive
, I.
Robert-Philip
, T.
Briant
, P.-F.
Cohadon
et al., Light: Sci. Appl.
6
, e16190
(2017
).29.
J.
Guo
, R. A.
Norte
, and S.
Gröblacher
, Opt. Express
25
, 9196
(2017
).30.
M.
Yuan
, M. A.
Cohen
, and G. A.
Steele
, Appl. Phys. Lett.
107
, 263501
(2015
).31.
Y.
Seis
, T.
Capelle
, E.
Langman
, S.
Saarinen
, E.
Planz
, and A.
Schliesser
, Nat. Commun.
13
, 1507
(2022
).32.
J. J.
Viennot
, X.
Ma
, and K. W.
Lehnert
, Phys. Rev. Lett.
121
, 183601
(2018
).33.
L.
Najera
et al., “Sideband cooling of a radio-frequency qubit
” (unpublished).34.
S. B.
Cataño Lopez
, J. G.
Santiago-Condori
, K.
Edamatsu
, and N.
Matsumoto
, Phys. Rev. Lett.
124
, 221102
(2020
).35.
S. D.
Penn
, A.
Ageev
, D.
Busby
, G. M.
Harry
, A. M.
Gretarsson
, K.
Numata
, and P.
Willems
, Phys. Lett. A
352
, 3
(2006
).36.
C. J.
Bell
, S.
Reid
, J.
Faller
, G. D.
Hammond
, J.
Hough
, I. W.
Martin
, S.
Rowan
, and K. V.
Tokmakov
, Classical Quantum Gravity
31
, 065010
(2014
).37.
N.
Matsumoto
, S. B.
Cataño Lopez
, M.
Sugawara
, S.
Suzuki
, N.
Abe
, K.
Komori
, Y.
Michimura
, Y.
Aso
, and K.
Edamatsu
, Phys. Rev. Lett.
122
, 071101
(2019
).38.
J. A.
Sidles
and D.
Sigg
, Phys. Lett. A
354
, 167
(2006
).39.
D.
Sigg
, see www.ligo.caltech.edu/docs/T/T030275-00.pdf for a discussion of the angular instability in a triangular cavity (2003
).40.
N.
Matsumoto
, Y.
Michimura
, Y.
Aso
, and K.
Tsubono
, Opt. Express
22
, 12915
(2014
).41.
D.
Miki
, N.
Matsumoto
, A.
Matsumura
, T.
Shichijo
, Y.
Sugiyama
, K.
Yamamoto
, and N.
Yamamoto
, “Generating quantum entanglement between macroscopic objects with continuous measurement and feedback control
,” arXiv:2210.13169 (2022
).42.
H.
Cavendish
, “Experiments to determine the density of the earth,” Philos. Trans. R. Soc.
88
, 469
(1798
).43.
T. A.
Wagner
, S.
Schlamminger
, J. H.
Gundlach
, and E. G.
Adelberger
, Classical Quantum Gravity
29
, 184002
(2012
).44.
E.
Adelberger
, B.
Heckel
, and A.
Nelson
, Annu. Rev. Nucl. Part. Sci.
53
, 77
(2003
).45.
B. A.
Stickler
, B.
Papendell
, S.
Kuhn
, B.
Schrinski
, J.
Millen
, M.
Arndt
, and K.
Hornberger
, New J. Phys.
20
, 122001
(2018
).46.
G. C.
Ghirardi
, A.
Rimini
, and T.
Weber
, Phys. Rev
34
, 470
(1986
).47.
R.
Penrose
, Gen. Relativ. Gravitation
28
, 581
(1996
).48.
W.
Marshall
, C.
Simon
, R.
Penrose
, and D.
Bouwmeester
, Phys. Rev. Lett.
91
, 130401
(2003
).49.
L.
Diósi
, Phys. Rev. Lett.
114
, 050403
(2015
).50.
A.
Bassi
, A.
Großardt
, and H.
Ulbricht
, Classical Quantum Gravity
34
, 193002
(2017
).51.
I.
Pikovski
, M. R.
Vanner
, M.
Aspelmeyer
, M. S.
Kim
, and Č.
Brukner
, Nat. Phys.
8
, 393
(2012
).52.
D.
Kafri
, G. J.
Milburn
, and J. M.
Taylor
, New J. Phys.
17
, 015006
(2015
).53.
J.
Schmöle
, M.
Dragosits
, H.
Hepach
, and M.
Aspelmeyer
, Classical Quantum Gravity
33
, 125031
(2016
).54.
B.
Helou
, J.
Luo
, H.-C.
Yeh
, C-g
Shao
, B. J. J.
Slagmolen
, D. E.
McClelland
, and Y.
Chen
, Phys. Rev. D
96
, 044008
(2017
).55.
A. A.
Balushi
, W.
Cong
, and R. B.
Mann
, Phys. Rev. A
98
, 043811
(2018
).56.
Y.
Michimura
and K.
Komori
, Eur. Phys. J. D
74
, 126
(2020
).57.
K.
Komori
, Y.
Enomoto
, C. P.
Ooi
, Y.
Miyazaki
, N.
Matsumoto
, V.
Sudhir
, Y.
Michimura
, and M.
Ando
, Phys. Rev. A
101
, 011802
(2020
).58.
A. R.
Neben
, T. P.
Bodiya
, C.
Wipf
, E.
Oelker
, T.
Corbitt
, and N.
Mavalvala
, New J. Phys.
14
, 115008
(2012
).59.
N.
Matsumoto
, K.
Komori
, Y.
Michimura
, G.
Hayase
, Y.
Aso
, and K.
Tsubono
, Phys. Rev. A
92
, 033825
(2015
).60.
T. T.-H.
Nguyen
, C. M.
Mow-Lowry
, B. J. J.
Slagmolen
, J.
Miller
, A. J.
Mullavey
, S.
Goßler
, P. A.
Altin
, D. A.
Shaddock
, and D. E.
McClelland
, Phys. Rev. D
92
, 112004
(2015
).61.
T.
Kawasaki
, K.
Komori
, H.
Fujimoto
, Y.
Michimura
, and M.
Ando
, Phys. Rev. A
106
, 013514
(2022
).62.
F.
Tebbenjohanns
, M.
Frimmer
, V.
Jain
, D.
Windey
, and L.
Novotny
, Phys. Rev. Lett.
124
, 013603
(2020
).63.
U.
Delić
, M.
Reisenbauer
, K.
Dare
, D.
Grass
, V.
Vuletić
, N.
Kiesel
, and M.
Aspelmeyer
, Science
367
, 892
(2020
).64.
P. R.
Magrini
, C.
Bach
, A.
Deutschmann-Olek
, S. G.
Hofer
, S.
Hong
, N.
Kiesel
, A.
Kugi
, and M.
Aspelmeyer
, Nature
595
, 373
(2021
).65.
G.
Guccione
, M.
Hosseini
, S.
Adlong
, M. T.
Johnsson
, J.
Hope
, B. C.
Buchler
, and P. K.
Lam
, Phys. Rev. Lett.
111
, 183001
(2013
).66.
Y.
Michimura
, Y.
Kuwahara
, T.
Ushiba
, N.
Matsumoto
, and M.
Ando
, Opt. Express
25
, 13799
(2017
).67.
C. T. M.
Ho
, R. B.
Mann
, and T. C.
Ralph
, “Quantum optical levitation of a mirror
,” arXiv:1911.02705 (2019
).68.
T.
Kawasaki
, N.
Kita
, K.
Nagano
, S.
Wada
, Y.
Kuwahara
, M.
Ando
, and Y.
Michimura
, Phys. Rev. A
102
, 053520
(2020
).69.
G.
Janssen
, M.
Abdalla
, F.
van Keulen
, B.
Pujada
, and B.
van Venrooy
, Thin Solid Films
517
, 1858
(2009
).70.
B. V.
Jayawant
, Rep. Prog. Phys.
44
, 411
(1981
).71.
R. W. P.
Drever
, “Techniques for extending interferometer performance using magnetic levitation and other methods
,” in Proceedings of the International Conference on Gravitational Waves (Source and Detectors)
, edited by I.
Ciufolini
, F.
Fidecaro
(World Scientific
, 1996
).72.
A.
Giazotto
, Phys. Lett. A
245
, 203
(1998
).73.
R.
Nakashima
, Phys. Lett. A
384
, 126592
(2020
).74.
B.
Fellmuth
, J.
Fischer
, G.
Machin
, S.
Picard
, P. P. M.
Steur
, O.
Tamura
, D. R.
White
, and H.
Yoon
, Philos. Trans. R. Soc. A
374
, 20150037
(2016
).75.
N.
Klimov
, T.
Purdy
, and Z.
Ahmed
, Sens. Actuators, A
269
, 308
(2018
).76.
T. P.
Purdy
, K. E.
Grutter
, K.
Srinivasan
, and J. M.
Taylor
, Science
356
, 1265
(2017
).77.
J. F.
Qu
, S. P.
Benz
, H.
Rogalla
, W. L.
Tew
, D. R.
White
, and K. L.
Zhou
, Meas. Sci. Technol.
30
, 112001
(2019
).78.
C. M.
Caves
, Phys. Rev. Lett.
45
, 75
(1980
).79.
F.
Acernese
et al., Phys. Rev. Lett.
123
, 231108
(2019
).80.
H. J.
Kimble
, Y.
Levin
, A. B.
Matsko
, K. S.
Thorne
, and S. P.
Vyatchanin
, Phys. Rev. D
65
, 022002
(2001
).81.
A.
Lartaux-Vollard
, “Beating the standard quantum limit for the gravitational wave detector advanced Virgo
,” Ph.D. thesis (Université Paris-Saclay
, 2020
).© 2023 Author(s). Published under an exclusive license by AIP Publishing.
2023
Author(s)
You do not currently have access to this content.
