Classical Pendulum Feels Quantum Back-Action

در این پایان نامه، اندازه گیری حساس نهایی برای نیروی ضعیف وارد شده به یک آینه معلق با کمک لیزر و یک حفره نوری برای توسعه آشکارسازهای امواج گرانشی انجام می شود. طبق اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، چنین اندازه‌گیری‌هایی در معرض نویز اساسی به نام نویز کوانتومی هستند که از ماهیت کوانتومی یک کاوشگر (نور) و یک جسم اندازه‌گیری شده (آینه) ناشی می‌شود. یکی از منابع نویز کوانتومی بک-اکشن کوانتومی است که از نوسانات خلاء نور ناشی می شود. آینه را از طریق تکانه ای که در بازتابش برای اندازه گیری به آینه منتقل می شود، می چرخاند. نویسنده یک مبادله اساسی بین حساسیت و ثبات در سیستم ماکروسکوپی را مورد بحث قرار می دهد و استفاده از یک حفره مثلثی را پیشنهاد می کند که می تواند از این مبادله جلوگیری کند. توسعه یک حفره مثلثی نوری توضیح داده شده و خصوصیات آن از اثر اپتومکانیکی در حفره مثلثی نشان داده شده است. در نتیجه، برای اولین بار در جهان، واکنش کوانتومی اعمال شده بر روی آینه معلق 5 میلی گرمی به طور قابل توجهی ارزیابی می شود. این کار به غلبه بر محدودیت کوانتومی استاندارد در آینده کمک می کند.

In this thesis, ultimate sensitive measurement for weak force imposed on a suspended mirror is performed with the help of a laser and an optical cavity for the development of gravitational-wave detectors. According to the Heisenberg uncertainty principle, such measurements are subject to a fundamental noise called quantum noise, which arises from the quantum nature of a probe (light) and a measured object (mirror). One of the sources of quantum noise is the quantum back-action, which arises from the vacuum fluctuation of the light. It sways the mirror via the momentum transferred to the mirror upon its reflection for the measurement. The author discusses a fundamental trade-off between sensitivity and stability in the macroscopic system, and suggests using a triangular cavity that can avoid this trade-off. The development of an optical triangular cavity is described and its characterization of the optomechanical effect in the triangular cavity is demonstrated. As a result, for the first time in the world the quantum back-action imposed on the 5-mg suspended mirror is significantly evaluated. This work contributes to overcoming the standard quantum limit in the future.