Två olika kvantoptomekaniska system som används för att demonstrera ny dynamik i mätningar som undviker återverkan. Vänster (gul):kisel nanostråle som stöder både ett optiskt och ett 5 GHz mekaniskt läge, opererad i en helium-3 kryostat vid 4 Kelvin och sonderade med hjälp av en laser som skickades i en optisk fiber. Höger (lila):supraledande mikrovågskrets kopplad till en 6 MHz mekaniskt kompatibel kondensator, drivs i ett utspädningskylskåp vid 15 milli-Kelvin. Kredit:I. Shomroni, EPFL.
EPFL forskare, med kollegor vid University of Cambridge och IBM Research-Zurich, reda ut ny dynamik i samspelet mellan ljus och mekanisk rörelse med betydande implikationer för kvantmätningar utformade för att undvika detektorns inflytande i det ökända problemet med "back action limit".
Gränserna för klassiska mätningar av mekanisk rörelse har flyttats över förväntan de senaste åren, t.ex. i den första direkta observationen av gravitationsvågor, som manifesterades som små förskjutningar av speglar i kilometerskaliga optiska interferometrar. På mikroskopisk skala, Atom- och magnetresonanskraftmikroskop kan nu avslöja atomstrukturen hos material och till och med känna av snurrarna hos enstaka atomer.
Men den känslighet som vi kan uppnå med rent konventionella medel är begränsad. Till exempel, Heisenbergs osäkerhetsprincip inom kvantmekaniken antyder närvaron av "mätning bakåtverkan":den exakta kunskapen om platsen för en partikel förstör alltid all kunskap om dess rörelsemängd, och därmed förutsäga någon av dess framtida platser.
Backaction-undvikande tekniker är utformade specifikt för att "sidostiga" Heisenbergs osäkerhetsprincip genom att noggrant kontrollera vilken information som erhålls och vad som inte finns i en mätning, t.ex. genom att bara mäta amplituden hos en oscillator och ignorera dess fas.
I princip, sådana metoder har obegränsad känslighet men till priset av att man lär sig hälften av den tillgängliga informationen. Men bortsett från tekniska utmaningar, Forskare har generellt trott att alla dynamiska effekter som härrör från denna optomekaniska interaktion inte medför några ytterligare komplikationer.
Nu, i ett försök att förbättra känsligheten för sådana mätningar, Tobias Kippenbergs labb vid EPFL, arbetar med forskare vid University of Cambridge och IBM Research-Zurich, har upptäckt ny dynamik som sätter oväntade begränsningar för den uppnåbara känsligheten.
Publicerad i Fysisk granskning X , arbetet visar att små avvikelser i den optiska frekvensen tillsammans med avvikelser i den mekaniska frekvensen, kan få allvarliga resultat – även i frånvaro av yttre effekter – när de mekaniska svängningarna börjar förstärkas utom kontroll, efterliknar fysiken hos vad som kallas en "degenererad parametrisk oscillator".
Samma beteende hittades i två djupt olika optomekaniska system, den ena arbetar med optisk och den andra med mikrovågsstrålning, bekräftar att dynamiken inte var unik för något speciellt system. EPFL-forskarna kartlade landskapet för denna dynamik genom att ställa in frekvenserna, visar en perfekt matchning med teori.
"Andra dynamiska instabiliteter har varit kända i årtionden och visat sig plåga gravitationsvågssensorer", säger EPFL-forskaren Itay Shomroni, tidningens första författare. "Nu, dessa nya resultat kommer att behöva tas med i beräkningen i utformningen av framtida kvantsensorer och i relaterade applikationer som backaction-fri kvantförstärkning."
