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Cavity Quantum Electro-optomechanics

English title Cavity Quantum Electro-optomechanics
Applicant Kippenberg Tobias Jan
Number 204927
Funding scheme Project funding
Research institution Laboratoire de photonique et mesures quantiques EPFL - STI - IEL - LPQM2
Institution of higher education EPF Lausanne - EPFL
Main discipline Condensed Matter Physics
Start/End 01.12.2021 - 30.11.2024
Approved amount 742'448.00
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Keywords (9)

ultra-coherent optomechanics; topological optomechanics; soft clamping; bulk acoustic resonators; superconducting circuit electromechanics; laser cooling; back action evading measurements; dispersive readout; microwave-optical frequency conversion

Lay Summary (French)

Lead
Les oscillateurs mécaniques sont au coeur des technologies les plus modernes, des filtres MEMS des téléphones au détecteurs d’ondes gravitationelles. Ces oscillateurs cohérents, une fois couplés au champ électromagnétique (aux ondes radio comme à la lumière) et galvanisés par une cavité, poussent aisément la Nature à nous dévoiler des phénomènes insoupçonnés, ne pouvant être décrits sans l’aide de la mécanique quantique. Développer des systèmes optomécaniques ou électromécaniques très cohérents est pour cette raison un des moyens les plus sûrs de sonder les fondements de cette théorie aux pouvoirs prédictifs incomparables, avec à la clef l’espoir de percer les mystères des bruits fondamentaux associés au processus même de mesure. Les oscillateurs développés par le LPQM de l’EPFL sont pour cela d’excellents candidats, car ils font preuve d’une remarquable capacité à préserver leur cohérence grâce à de nouvelles techniques de dilution de dissipation.
Lay summary

Les oscillateurs mécaniques sont au coeur des technologies les plus modernes, des filtres MEMS des téléphones au détecteurs d’ondes gravitationelles. Ces oscillateurs cohérents, une fois couplés au champ électromagnétique (aux ondes radio comme à la lumière) et galvanisés par une cavité, poussent aisément la Nature à nous dévoiler des phénomènes insoupçonnés, ne pouvant être décrits sans l’aide de la mécanique quantique. Développer des systèmes optomécaniques ou électromécaniques très cohérents est pour cette raison un des moyens les plus sûrs de sonder les fondements de cette théorie aux pouvoirs prédictifs incomparables, avec à la clef l’espoir de percer les mystères des bruits fondamentaux associés au processus même de mesure. Les oscillateurs développés par le LPQM de l’EPFL sont pour cela d’excellents candidats, car ils font preuve d’une remarquable capacité à préserver leur cohérence grâce à de nouvelles techniques de dilution de dissipation.

La recherche en optomécanique du LPQM consistera pour les années à venir en l’amélioration d’oscillateurs suspendus pour atteindre l’état mécanique fondamentale à température ambiante par refroidissement laser, l’exploration d’effets topologiques dans des réseaux de systèmes optomécaniques, et l’interfaçage de qubits supraconducteurs par des résonateurs acoustiques à hautes harmoniques (abbréviés “HBAR”).

Les projets du LPQM sur les oscillateurs optomécaniques ultra-cohérents débouchera sur la démonstration de phénomènes quantiques dans un nouveau régime et poussera encore plus loin les limites de précision concevables. Les interfaces HBAR permettront quant à elles de s’attaquer à l’intégration à grande échelle des circuits supraconducteurs, actuellement l’obstacle majeur à l’avènement d’un ordinateur quantique universel.

Direct link to Lay Summary Last update: 03.11.2021

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
182103 Cavity Quantum Optomechanics with Nanomechanical Oscillators 01.12.2018 Project funding
192293 Soliton Microcombs: Exploring driven dissipative Kerr cavities 01.06.2020 Project funding
176563 Energy efficient optical frequency combs based on photonic integrated resonators and temporally structured pump light 01.05.2018 Bridge - Discovery
185902 NCCR QSIT: Quantum Science and Technology (phase III) 01.01.2019 National Centres of Competence in Research (NCCRs)
186364 (QuantEOM) Quantum-coherent electro-optic microwave-to-optical conversion with GaP and BaTiO3 01.03.2020 Sinergia

Abstract

Mechanical oscillators are already used in many modern technologies, ranging from MEMS accelerometers, time-keeping to filters, and some of the most sensitive scientific measurements of human mankind (LIGO). The ability to couple mechanical oscillators to optical cavities, microwave resonators, or via piezo-electrical interactions qubits, have led to dramatic advances - that have led to quantum control of mechanical oscillators, including ponderomotive optical squeezing, entangling mechanical oscillators, squeezing of mechanical motion, to Fockstates of mechanical motion. Quantum optomechanics is poised to enable fundamental tests of quantum mechanics and equally may lead to new technologies, given that mechanical oscillators can interact with their environment in a controlled way. Yet, to date, accessing quantum effects is only possible in a handful of systems and generally compounded by thermal noise. Over the past years a major improvement in coherence has been emerging with trapped particles, and novel dissipation dilution concepts, such as soft clamping and strain engineering. In our ending SNF grant, we proposed and were able to realize for the first time acrystalline mechanical oscillators with soft-clamping culminating in Q factor beyond14 Billion at 5 Kelvin temperature. In addition, we developed ultra-coherent electromechanical systems that enable that allow to overcome the challenge to create arrays of optomechanical systems. Building on these very recent advances in our ending SNF project, in this proposal we seek to demonstrate several novel regimes.First, we seek to demonstrates multimode optomechanical systems. While there has been substantial progress and interest in multimode systems, there is to date an absence of multimode optomechanical systems. Arrays of resonators coupled to qubits have been demonstrated,but have not been demonstrated optomechanics. Recent work from our group at EPFL has resulted in highlycoherent, reproducible vacuum gap capacitors. These systems have already allowed 1D topological systems suchas the SSH model, to be implemented. We plan next to extend our approach to 2D arrays. Our aims in this proposal is to observe emergent optomechanical dynamics in honeycomb lattices, in systems composed of a large degree of mechanical and optical degrees of freedom and to demonstrate topological optomechanics. Specifically we can use the thermomechanical noise to probe edge states, and we will explore these highly multi-mode optomechanical systems for both their classical nonlinear dynamics, their ability to probe locally the electromagnetic environment, as well as for quantum optomechanical phenomena, such as generating highly entangled multiple mechanical oscillators.Second, having developed ultra-coherent mechanical oscillatorsin the form of hierarchical self-similar mechanical oscillators, as well as strained crystalline mechanical oscillators. These systems enable to routinely achieve Q’ factors beyond 500 million at room temperature. Yet an outstanding and enduring challenge is to couple the resonators to optical micro and nano-cavities. Using these hierarchical resonators, as well as 2D versions of them, we will focus on embedding them into nanoscale based optical cavities, to achieve room temperature quantum optomechanics - still an outstanding challenge. Our recently developed understanding of intermodulation noise, and ways to mitigate it, should enable room temperature ponderomotive squeezing,and feedback cooling to the ground state from room temperature. The remaining challenges are to understand the origin of residual noise, and ways to mitigate it. Viewed more broadly our research will ask the question: howcan we reduce additional extraneous noises of substrates, to enable to harness the exceptional coherence of this new class of hierarchical resonators? Our research is primary fundamental in nature, but the understanding we will gain will have implications to precision measurements, such as LIGO and novel interferometers being built. Third, recent work at EPFL has coupled bulk acoustic high overtone resonators (HBAR) to photonic integrated resonators. We will explore a way to create an efficient microwave to optical transducer.
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