Dois sistemas optomecânicos quânticos diferentes usados para demonstrar novas dinâmicas em medições de evasão de backaction. Esquerda (amarelo):nanobeam de silício suportando um modo óptico e mecânico de 5 GHz, operado em um criostato de hélio-3 a 4 Kelvin e sondado usando um laser enviado em uma fibra óptica. Direita (roxo):circuito supercondutor de micro-ondas acoplado a um capacitor compatível mecanicamente de 6 MHz, operado em um refrigerador de diluição a 15 mili-Kelvin. Crédito:I. Shomroni, EPFL.
Pesquisadores EPFL, com colegas da Universidade de Cambridge e IBM Research-Zurich, desvendar novas dinâmicas na interação entre luz e movimento mecânico com implicações significativas para medições quânticas projetadas para evitar a influência do detector no notório problema de 'limite de ação traseira'.
Os limites das medições clássicas de movimento mecânico foram empurrados além das expectativas nos últimos anos, por exemplo. na primeira observação direta de ondas gravitacionais, que se manifestaram como pequenos deslocamentos de espelhos em interferômetros ópticos em escala quilométrica. Na escala microscópica, microscópios de força de ressonância atômica e magnética agora podem revelar a estrutura atômica dos materiais e até mesmo sentir os spins de átomos individuais.
Mas a sensibilidade que podemos alcançar usando meios puramente convencionais é limitada. Por exemplo, O princípio da incerteza de Heisenberg na mecânica quântica implica a presença de "retroação de medição":o conhecimento exato da localização de uma partícula invariavelmente destrói qualquer conhecimento de seu momento, e, portanto, de prever qualquer uma de suas localizações futuras.
As técnicas de evasão de retrocesso são projetadas especificamente para "contornar" o princípio da incerteza de Heisenberg, controlando cuidadosamente quais informações são obtidas e o que não está em uma medição, por exemplo. medindo apenas a amplitude de um oscilador e ignorando sua fase.
Em princípio, tais métodos têm sensibilidade ilimitada, mas ao custo de aprender metade das informações disponíveis. Mas desafios técnicos à parte, os cientistas geralmente pensam que quaisquer efeitos dinâmicos decorrentes desta interação optomecânica não trazem quaisquer complicações adicionais.
Agora, em um esforço para melhorar a sensibilidade de tais medições, o laboratório de Tobias Kippenberg na EPFL, trabalhando com cientistas da Universidade de Cambridge e IBM Research-Zurich, descobriram novas dinâmicas que colocam restrições inesperadas na sensibilidade alcançável.
Publicado em Revisão Física X , o trabalho mostra que pequenos desvios na frequência óptica juntamente com desvios na frequência mecânica, pode ter resultados graves - mesmo na ausência de efeitos estranhos - à medida que as oscilações mecânicas começam a se amplificar fora de controle, imitando a física do que é chamado de "oscilador paramétrico degenerado".
O mesmo comportamento foi encontrado em dois sistemas optomecânicos profundamente diferentes, um operando com radiação óptica e o outro com radiação de microondas, confirmando que a dinâmica não era exclusiva de nenhum sistema em particular. Os pesquisadores da EPFL mapearam a paisagem dessas dinâmicas ajustando as frequências, demonstrando uma combinação perfeita com a teoria.
"Outras instabilidades dinâmicas são conhecidas há décadas e comprovadamente afetam os sensores de ondas gravitacionais", disse o cientista da EPFL Itay Shomroni, o primeiro autor do artigo. "Agora, esses novos resultados terão de ser levados em consideração no projeto de futuros sensores quânticos e em aplicações relacionadas, como a amplificação quântica livre de retrocesso ".
