Undgåelse af Heisenberg er ikke let

EPFL -forskere, med kolleger ved University of Cambridge og IBM Research-Zurich, opklare ny dynamik i samspillet mellem lys og mekanisk bevægelse med betydelige konsekvenser for kvantemålinger designet til at undgå detektorens indflydelse i det berygtede 'back action limit' problem.

Grænserne for klassiske målinger af mekanisk bevægelse er blevet skubbet over forventning i de seneste år, f.eks. ved den første direkte observation af gravitationsbølger, som manifesterede sig som bittesmå forskydninger af spejle i optiske interferometre i kilometerskala. På den mikroskopiske skala, atom- og magnetisk resonans kraftmikroskoper kan nu afsløre atomernes struktur af materialer og endda fornemme spinnene af enkeltatomer.

Men den følsomhed, vi kan opnå ved hjælp af rent konventionelle midler, er begrænset. For eksempel, Heisenbergs usikkerhedsprincip inden for kvantemekanik indebærer tilstedeværelsen af ​​"måling af tilbageaktion":den nøjagtige viden om en partikels placering ødelægger altid enhver viden om dens momentum, og dermed forudsige enhver af dens fremtidige placeringer.

Tilbagevendende teknikker er designet specifikt til at 'sidestille' Heisenbergs usikkerhedsprincip ved omhyggeligt at kontrollere, hvilke oplysninger der opnås, og hvad der ikke er i en måling, f.eks. ved kun at måle amplituden af ​​en oscillator og ignorere dens fase.

I princippet, sådanne metoder har ubegrænset følsomhed, men på bekostning af at lære halvdelen af ​​den tilgængelige information. Men tekniske udfordringer til side, forskere har generelt troet, at enhver dynamisk effekt, der opstår som følge af denne optomekaniske interaktion, ikke medfører yderligere komplikationer.

Nu, i et forsøg på at forbedre følsomheden af ​​sådanne målinger, laboratoriet af Tobias Kippenberg på EPFL, arbejder med forskere ved University of Cambridge og IBM Research-Zurich, har opdaget nye dynamikker, der sætter uventede begrænsninger på den opnåelige følsomhed.

Udgivet i Fysisk gennemgang X , arbejdet viser, at små afvigelser i den optiske frekvens sammen med afvigelser i den mekaniske frekvens, kan have alvorlige resultater - selv i mangel af fremmede effekter - efterhånden som de mekaniske svingninger begynder at forstærkes ude af kontrol, efterligner fysikken i det, der kaldes en "degenereret parametrisk oscillator."

Den samme adfærd blev fundet i to meget forskellige optomekaniske systemer, den ene opererer med optisk og den anden med mikrobølgestråling, bekræfter, at dynamikken ikke var unik for et bestemt system. EPFL -forskerne kortlagde landskabet for disse dynamikker ved at indstille frekvenserne, viser et perfekt match med teori.

"Andre dynamiske ustabiliteter har været kendt i årtier og vist sig at plage gravitationsbølgesensorer" siger EPFL -videnskabsmand Itay Shomroni, papirets første forfatter. "Nu, disse nye resultater skal tages i betragtning ved design af fremtidige kvantesensorer og i beslægtede applikationer, såsom backaction-fri kvanteforstærkning. "