Se utilizan dos sistemas optomecánicos cuánticos diferentes para demostrar una dinámica novedosa en las mediciones de evasión de retroacción. Izquierda (amarillo):nanohaz de silicio compatible con modo óptico y mecánico de 5 GHz, operado en un criostato de helio-3 a 4 Kelvin y probado usando un láser enviado en una fibra óptica. Derecha (violeta):circuito superconductor de microondas acoplado a un condensador de 6 MHz compatible mecánicamente, operado en un refrigerador de dilución a 15 mili-Kelvin. Crédito:I. Shomroni, EPFL.
Investigadores de EPFL, con colegas de la Universidad de Cambridge e IBM Research-Zurich, desentrañar dinámicas novedosas en la interacción entre la luz y el movimiento mecánico con implicaciones significativas para las mediciones cuánticas diseñadas para evadir la influencia del detector en el notorio problema del "límite de retroceso".
Los límites de las mediciones clásicas del movimiento mecánico han superado las expectativas en los últimos años. p.ej. en la primera observación directa de ondas gravitacionales, que se manifestaron como pequeños desplazamientos de espejos en interferómetros ópticos de escala kilométrica. A escala microscópica, Los microscopios de fuerza de resonancia atómica y magnética ahora pueden revelar la estructura atómica de los materiales e incluso detectar los giros de átomos individuales.
Pero la sensibilidad que podemos lograr utilizando medios puramente convencionales es limitada. Por ejemplo, El principio de incertidumbre de Heisenberg en mecánica cuántica implica la presencia de "retroacción de medición":el conocimiento exacto de la ubicación de una partícula destruye invariablemente cualquier conocimiento de su momento, y así de predecir cualquiera de sus ubicaciones futuras.
Las técnicas de evasión de retroacción están diseñadas específicamente para 'eludir' el principio de incertidumbre de Heisenberg controlando cuidadosamente qué información se obtiene y qué no en una medición, p.ej. midiendo solo la amplitud de un oscilador e ignorando su fase.
En principio, tales métodos tienen una sensibilidad ilimitada pero a costa de aprender la mitad de la información disponible. Pero dejando de lado los desafíos técnicos, Los científicos generalmente han pensado que cualquier efecto dinámico que surja de esta interacción optomecánica no conlleva más complicaciones.
Ahora, en un esfuerzo por mejorar la sensibilidad de tales mediciones, el laboratorio de Tobias Kippenberg en EPFL, trabajando con científicos de la Universidad de Cambridge e IBM Research-Zurich, Han descubierto dinámicas novedosas que imponen limitaciones inesperadas a la sensibilidad alcanzable.
Publicado en Revisión física X , el trabajo muestra que pequeñas desviaciones en la frecuencia óptica junto con desviaciones en la frecuencia mecánica, puede tener graves resultados, incluso en ausencia de efectos extraños, ya que las oscilaciones mecánicas comienzan a amplificarse sin control, imitando la física de lo que se llama un "oscilador paramétrico degenerado".
El mismo comportamiento se encontró en dos sistemas optomecánicos profundamente diferentes, uno operando con óptica y el otro con radiación de microondas, confirmando que la dinámica no era exclusiva de ningún sistema en particular. Los investigadores de la EPFL trazaron el panorama de estas dinámicas sintonizando las frecuencias, demostrando una combinación perfecta con la teoría.
"Se conocen otras inestabilidades dinámicas durante décadas y se ha demostrado que afectan a los sensores de ondas gravitacionales", dice el científico de EPFL, Itay Shomroni, el primer autor del artículo. "Ahora, estos nuevos resultados deberán tenerse en cuenta en el diseño de futuros sensores cuánticos y en aplicaciones relacionadas, como la amplificación cuántica sin retroacción ".
