EPFL-onderzoekers, met collega's van de Universiteit van Cambridge en IBM Research-Zurich, ontrafelen van nieuwe dynamiek in de interactie tussen licht en mechanische beweging met significante implicaties voor kwantummetingen die zijn ontworpen om de invloed van de detector in het beruchte 'back action limit'-probleem te omzeilen.

De limieten van klassieke metingen van mechanische beweging zijn de afgelopen jaren boven verwachting verlegd, bijv. bij de eerste directe waarneming van zwaartekrachtsgolven, die zich manifesteerden als kleine verplaatsingen van spiegels in optische interferometers op kilometerschaal. Op microscopische schaal, atoom- en magnetische-resonantiekrachtmicroscopen kunnen nu de atomaire structuur van materialen onthullen en zelfs de spins van afzonderlijke atomen waarnemen.

Maar de gevoeligheid die we kunnen bereiken met puur conventionele middelen is beperkt. Bijvoorbeeld, Het onzekerheidsprincipe van Heisenberg in de kwantummechanica impliceert de aanwezigheid van "measurement backaction":de exacte kennis van de locatie van een deeltje vernietigt steevast elke kennis van zijn momentum, en dus van het voorspellen van een van zijn toekomstige locaties.

Backaction-ontwijkende technieken zijn specifiek ontworpen om het onzekerheidsprincipe van Heisenberg te 'omzeilen' door zorgvuldig te controleren welke informatie wordt verkregen en wat niet in een meting, bijv. door alleen de amplitude van een oscillator te meten en de fase ervan te negeren.

In principe, dergelijke methoden hebben een onbeperkte gevoeligheid, maar gaan ten koste van het leren van de helft van de beschikbare informatie. Maar technische uitdagingen terzijde, wetenschappers hebben over het algemeen gedacht dat eventuele dynamische effecten die voortkomen uit deze optomechanische interactie geen verdere complicaties met zich meebrengen.

Nutsvoorzieningen, in een poging om de gevoeligheid van dergelijke metingen te verbeteren, het lab van Tobias Kippenberg bij EPFL, werken met wetenschappers van de Universiteit van Cambridge en IBM Research-Zurich, hebben nieuwe dynamieken ontdekt die onverwachte beperkingen opleggen aan de haalbare gevoeligheid.

Gepubliceerd in Fysieke beoordeling X , het werk laat zien dat kleine afwijkingen in de optische frequentie samen met afwijkingen in de mechanische frequentie, kan ernstige gevolgen hebben - zelfs als er geen externe effecten zijn - als de mechanische trillingen ongecontroleerd beginnen te versterken, het nabootsen van de fysica van wat een "gedegenereerde parametrische oscillator" wordt genoemd.

Hetzelfde gedrag werd gevonden in twee totaal verschillende optomechanische systemen, de ene werkt met optische en de andere met microgolfstraling, bevestigend dat de dynamiek niet uniek was voor een bepaald systeem. De EPFL-onderzoekers brachten het landschap van deze dynamiek in kaart door de frequenties af te stemmen, een perfecte match met de theorie aantonen.

"Andere dynamische instabiliteiten zijn al tientallen jaren bekend en hebben aangetoond dat ze zwaartekrachtsgolfsensoren teisteren", zegt EPFL-wetenschapper Itay Shomroni, de eerste auteur van de krant. "Nutsvoorzieningen, met deze nieuwe resultaten zal rekening moeten worden gehouden bij het ontwerp van toekomstige kwantumsensoren en in gerelateerde toepassingen zoals backaction-free kwantumversterking."