Interference, noise, and correlation phenomena in quantum devices

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2022-08-30
Date
2022
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
116 + app. 98
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 107/2022
Abstract
In this work, I explore several aspects of optomechanical systems coupled to their environments, nonclassical correlations created in such systems, and enhancing the very optomechanical coupling to the ultrastrong coupling limit. I also study micromechanical resonators revealing the de Haas—van Alphen effect in graphene.  Two-level system defects are often found interacting with superconducting microwave setups warranting the study the of their effects on the dynamics of an optomechanical system. I derive a quantum Langevin equation formulation for a general system-environment interaction in terms of the system degrees of freedom, and apply this framework to a cavity surrounded by two-level system defects. Nonlinear dissipation and parametric effects, observed experimentally in other works, are found.  I consider environmental noise effects, in a proposal for an optomechanical Bell inequality test, where nonclassical correlations between cavity fields are generated by a massive mechanical resonator. The violation of the CHSH Bell inequality is predicted with noise and system parameters compatible with modern technological capabilities. The quantum nature of mechanical motion can further be explored in the ultrastrong optomechanical coupling regime, where the intrinsic nonlinearity of the coupling is observable. To this end, I present a scheme for a microwave circuit setup that is capable of enhancing the optomechanical radiation pressure and cross-Kerr single-photon couplings by several orders of magnitude. Additionally, I study a graphene resonator setup operated as a magnetometer, where the quantum Hall effect and the de Haas—van Alphen effect are observed for the massless Dirac fermions of graphene via the mechanical motion. The general measurement scheme can also be generalized for other conducting two-dimensional materials.

Tässä työssä tarkastelen optomekaanisten systeemien kytkeytymistä ympäristöönsä, ei-klassisten tilojen syntymistä tällaisissa systeemeissä ja kyseisen optomekaanisen kytkennän voimistamista erittäin vahvan kytkennän rajalle. Tutkin myös mikromekaanisia värähtelijöitä, jotka paljastavat de Haas—van Alphen -ilmiön grafeenissa.  Kaksitilasysteemeinä esiintyvät epäpuhtaudet ovat usein vuorovaikutuksessa suprajohtavien mikroaaltovirtapiirien kanssa, mikä tekee niiden optomekaanisten systeemien dynamiikkaan aihettamien vaikutusten tutkimisen tärkeäksi. Formuloin kvantti-Langevin-yhtälön tutkittavan systeemin ja ympäristön väliselle kytkennälle, joka on yleinen systeemin vapausasteiden suhteen ja sovellan tätä muotoilua kaksitilasysteemien ympäröimään kaviteettiin. Tämä luo pohjan myös muissa tutkimuksissa havaituille parametrisille efekteilleja epälineaariselle dissipaatiolle.  Tutkin ympäristön aiheuttaman kohinan vaikutuksia myös tutkimusmenetelmäehdotuksessa optomekaaniselle Bell-testille, jossa ei-klassiset korrelaatiot kaviteettikenttien välille syntyvät massiivisen mekaanisen resonaattorin kautta. Tässä tutkimusasetelmassa ennustan CHSH Bellin epäyhtälön rikkoutumisen modernien teknologisten rajojen mukaisilla kohina- ja systeemiparametreilla.  Mekaanisen liikkeen kvanttimekaanista luonnetta voidaan edelleen tutkia erittäin vahvan optomekaanisen kytkennän alueella, missä kyseisen kytkennän luontainen epälineaarisuus tulee havaittavaksi. Tämän saavuttamiseksi esitän mikroaaltopiirin, joka kykenee vahvistamaan optomekaanisia säteilypaine- ja cross-Kerr -kytkentöjä useiden kertalukujen verran.  Lisäksi tutkin magnetometrinä operoitavaa grafeeniresonaattoria, jossa kvantti-Hall- ja de Haas—van Alphen -ilmiöt havaitaan grafeenin massattomille Dirac-fermioneille mekaanisen liikkeen avulla. Tämä mittausjärjestely voidaan yleistään myös muiden kaksiulotteisten johteiden tutkimiseen.
Description
Supervising professor
Hakonen, Pertti, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Keywords
optomechanics, Langevin equations, ultrastrong optomechanical coupling, CHSH inequality, graphene, de Haas—van Alphen effect, mechanical resonators, optomekaniikka, Langevin-yhtälöt, erittäin vahva optomekaaninen kytkentä, CHSH-epäyhtälö, grafeeni, de Haas—van Alphen -ilmiö, mekaaniset värähtelijät
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Juuso Manninen, Souvik Agasti, and Francesco Massel. Nonlinear quantum Langevin equations for bosonic modes in solid-state systems. Physical Review A, 96, 063830, 2017.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201808014326
    DOI: 10.1103/PhysRevA.96.063830 View at publisher
  • [Publication 2]: Juuso Manninen, Muhammad Asjad, Risto Ojajärvi, Petri Kuusela, and Francesco Massel. Clauser-Horne-Shimony-Holt Bell inequality test inan optomechanical device. Physical Review A, 98, 043831, 2018.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201811025601
    DOI: 10.1103/PhysRevA.98.043831 View at publisher
  • [Publication 3]: Juuso Manninen, Mohammad Tasnimul Haque, David Vitali, and Pertti Hakonen. Enhancement of the optomechanical coupling and Kerrnonlinearity using the Josephson capacitance of a Cooper-pair box. Physical Review B, 105, 144508, 2022.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202205243381
    DOI: 10.1103/PhysRevB.105.144508 View at publisher
  • [Publication 4]: Juuso Manninen, Antti Laitinen, Francesco Massel, and Pertti Hakonen. Mechanical detection of the de Haas–van Alphen effect in graphene.Submitted to publication. Currently at arXiv:2112.01102 [cond-mat.meshall], 2022
Citation