Due diversi sistemi optomeccanici quantistici utilizzati per dimostrare nuove dinamiche nelle misurazioni di elusione dell'azione di ritorno. Sinistra (giallo):nanofascio di silicio che supporta sia una modalità ottica che meccanica a 5 GHz, operato in un criostato di elio-3 a 4 Kelvin e sondato utilizzando un laser inviato in una fibra ottica. A destra (viola):circuito superconduttore a microonde accoppiato a un condensatore meccanicamente conforme a 6 MHz, operato in un frigorifero a diluizione a 15 milli-Kelvin. Credito:I. Shomroni, EPFL.
ricercatori dell'EPFL, con i colleghi dell'Università di Cambridge e dell'IBM Research-Zurigo, svelare nuove dinamiche nell'interazione tra luce e movimento meccanico con implicazioni significative per le misurazioni quantistiche progettate per eludere l'influenza del rivelatore nel famigerato problema del "limite dell'azione all'indietro".
I limiti delle misurazioni classiche del movimento meccanico sono stati spinti oltre le aspettative negli ultimi anni, per esempio. nella prima osservazione diretta delle onde gravitazionali, che si manifestavano come piccoli spostamenti di specchi in interferometri ottici su scala chilometrica. A scala microscopica, I microscopi a forza di risonanza atomica e magnetica possono ora rivelare la struttura atomica dei materiali e persino rilevare gli spin dei singoli atomi.
Ma la sensibilità che possiamo raggiungere usando mezzi puramente convenzionali è limitata. Per esempio, Il principio di indeterminazione di Heisenberg in meccanica quantistica implica la presenza di "retroazione di misura":la conoscenza esatta della posizione di una particella distrugge invariabilmente qualsiasi conoscenza del suo momento, e quindi di prevedere una qualsiasi delle sue posizioni future.
Le tecniche di elusione della retroazione sono progettate specificamente per "eludere" il principio di indeterminazione di Heisenberg controllando attentamente quali informazioni vengono acquisite e quali non sono contenute in una misurazione, per esempio. misurando solo l'ampiezza di un oscillatore e ignorandone la fase.
In linea di principio, tali metodi hanno una sensibilità illimitata ma al costo di apprendere metà delle informazioni disponibili. Ma sfide tecniche a parte, gli scienziati hanno generalmente pensato che qualsiasi effetto dinamico derivante da questa interazione optomeccanica non comportasse ulteriori complicazioni.
Ora, nel tentativo di migliorare la sensibilità di tali misurazioni, il laboratorio di Tobias Kippenberg all'EPFL, lavorando con scienziati dell'Università di Cambridge e dell'IBM Research-Zurigo, hanno scoperto nuove dinamiche che pongono vincoli inaspettati alla sensibilità realizzabile.
Pubblicato in Revisione fisica X , il lavoro mostra che piccole deviazioni nella frequenza ottica insieme a deviazioni nella frequenza meccanica, può avere gravi risultati, anche in assenza di effetti estranei, poiché le oscillazioni meccaniche iniziano ad amplificarsi senza controllo, imitando la fisica di quello che viene chiamato un "oscillatore parametrico degenerato".
Lo stesso comportamento è stato riscontrato in due sistemi optomeccanici profondamente diversi, uno funzionante con ottica e l'altro con radiazione a microonde, confermando che le dinamiche non erano uniche per un particolare sistema. I ricercatori dell'EPFL hanno tracciato il panorama di queste dinamiche sintonizzando le frequenze, dimostrando una perfetta corrispondenza con la teoria.
"Altre instabilità dinamiche sono note da decenni e hanno dimostrato di affliggere i sensori di onde gravitazionali", afferma lo scienziato dell'EPFL Itay Shomroni, il primo autore dell'articolo. "Ora, questi nuovi risultati dovranno essere presi in considerazione nella progettazione di futuri sensori quantistici e nelle relative applicazioni come l'amplificazione quantistica senza backaction".
