Recent experiments have demonstrated the ability to optically cool a macroscopic mechanical oscillator to its quantum ground state by means of dynamic backaction. Such experiments allow quantum mechanics to be tested with mesoscopic objects, and represent an essential step toward quantum optical memories, transducers, and amplifiers. Most oscillators considered so far are rigidly connected to their thermal environment, fundamentally limiting their mechanical Q-factors and requiring cryogenic precooling to liquid helium temperatures. Here we demonstrate parametric feedback cooling of a laser-trapped nanoparticle which is entirely isolated from the thermal bath. The lack of a clamping mechanism provides robust decoupling from internal vibrations and makes it possible to cool the nanoparticle in all degrees of freedom by means of a single laser beam. Compared to laser-trapped microspheres, nanoparticles have the advantage of higher resonance frequencies and lower recoil heating, which are favorable conditions for quantum ground state cooling

The momentum transfer between a photon and an object defines a fundamental limit for the precision with which the object can be measured. If the object oscillates at a frequency $\Omega_0$, this measurement back-action adds quanta $\hbar\Omega_0$ to the oscillator's energy at a rate $\Gamma_{\rm recoil}$, a process called photon recoil heating, and sets bounds to quantum coherence times in cavity optomechanical systems. Here, we use an optically levitated nanoparticle in ultrahigh vacuum to directly measure $\Gamma_{\rm recoil}$. By means of a phase-sensitive feedback scheme, we cool the harmonic motion of the nanoparticle from ambient to micro-Kelvin temperatures and measure its reheating rate under the influence of the radiation field. The recoil heating rate is measured for different particle sizes and for different excitation powers, without the need for cavity optics or cryogenic environments. The measurements are in quantitative agreement with theoretical predictions and provide valuable guidance for the realization of quantum ground-state cooling protocols and the measurement of ultrasmall forces

Solid-state spin qubits are promising candidates for quantum information processing, but controlled interactions and entanglement in large, multiqubit systems are currently difficult to achieve. We describe a method for programmable control of multiqubit spin systems, in which individual nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond nanopillars are coupled to magnetically functionalized silicon nitride mechanical resonators in a scanning probe configuration. Qubits can be entangled via interactions with nanomechanical resonators while programmable connectivity is realized via mechanical transport of qubits in nanopillars. To demonstrate the feasibility of this approach, we characterize both the mechanical properties and the magnetic field gradients around the micromagnet placed on the nanobeam resonator. We demonstrate coherent manipulation of a spin qubit in the proximity of a transported micromagnet by utilizing nuclear spin memory and use the NV center to detect the time-varying magnetic field from the oscillating micromagnet, extracting a spin-mechanical coupling of 7.7(9) Hz. With realistic improvements, the high-cooperativity regime can be reached, offering a new avenue toward scalable quantum information processing with spin qubits.Received 22 July 2023Revised 3 May 2024Accepted 9 May 2024DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.263602© 2024 American Physical SocietyPhysics Subject Headings (PhySH)Research AreasColor centersHybrid quantum systemsMagnetic couplingMagnetometryQuantum information processingPhysical SystemsMicromechanical & nanomechanical oscillatorsTechniquesScanning probe microscopyQuantum Information, Science & Technology