Multimode optomechanics in the strong cooperativity regime : towards optomechanical entanglement with micromechanical membranes

Abstract

Quantum entanglement is an essential feature of quantum physics and an important resource for applications in quantum information processing and quantum communication, including prominent examples such as quantum teleportation and quantum cryptography, as well as for fundamental tests of quantum theory. This thesis explores the generation and verification of continuous wave optomechanical entanglement between a light mode and a multimode mechanical oscillator. The optomechanical system consists of a thin silicon nitride membrane placed within a high finesse Fabry-Pérot cavity. It is successively improved and verified to operate in the strong cooperativity regime, a necessary condition for the generation of entanglement. A pulsed-continuous verification protocol is applied to correlation measurements with strong cooperativity. The results demonstrate that the naive approach of filtering a single high-Q mode to obtain a witness for entanglement is not viable. The multimode nature of the mechanics has to be, and is, explicitly considered in the evaluations as well as spectral features of the detection scheme, thereby paving the way towards multimode optomechanical entanglement.

Quantenverschränkung ist ein wesentliches Merkmal der Quantenphysik und sie findet Anwendung in der Quanteninformationsverarbeitung und Quantenkommunikation. Prominente Beispiele hierfür sind Quantenteleportation, Quantenkryptographie sowie fundamentale Tests der Quantentheorie. Diese Arbeit befasst sich mit der Erzeugung und dem Nachweis von optomechanischer Verschränkung kontinuierlicher Variablen zwischen einer Licht-Mode und einem mechanischen Multimoden-Oszillator. Das optomechanische System besteht aus einer Siliziumnitrid-Membran, die sich in einem Fabry-Pérot Resonator mit einer hohen Finesse befindet. Das System wurde optimiert und operiert nachweislich im Bereich starker Kooperativität, einer notwendigen Bedingung für die Erzeugung von Verschränkung. Ein gepulst-kontinuierliches Protokoll zum Nachweis von Verschränkung ist auf Korrelationsmessungen im Bereich starker Kooperativität angewendet worden. Die Ergebnisse demonstrieren, dass der übliche Ansatz, bei dem eine mechanische Mode hoher Güte isoliert wird um Verschränkung nachzuweisen, nicht anwendbar ist. Der Multimodenaspekt der Membran muss und wird in der Auswertung explizit berücksichtigt, genauso wie spektrale Eigenschaften der Detektion, wodurch der Weg zu optomechanischer Multimodenverschränkung geebnet wird.