Deux systèmes optomécaniques quantiques différents utilisés pour démontrer une nouvelle dynamique dans les mesures d'évitement de contre-action. A gauche (jaune) :nanofaisceau de silicium supportant à la fois un mode optique et un mode mécanique 5 GHz, opéré dans un cryostat à hélium-3 à 4 Kelvin et sondé à l'aide d'un laser envoyé dans une fibre optique. A droite (violet) :circuit supraconducteur hyperfréquence couplé à un condensateur mécaniquement conforme de 6 MHz, opéré dans un réfrigérateur à dilution à 15 milli-Kelvin. Crédit :I. Shomroni, EPFL.
chercheurs de l'EPFL, avec des collègues de l'Université de Cambridge et d'IBM Research-Zurich, découvrir de nouvelles dynamiques dans l'interaction entre la lumière et le mouvement mécanique avec des implications importantes pour les mesures quantiques conçues pour échapper à l'influence du détecteur dans le problème notoire de « limite d'action arrière ».
Les limites des mesures classiques du mouvement mécanique ont été repoussées au-delà des attentes ces dernières années, par exemple. dans la première observation directe des ondes gravitationnelles, qui se sont manifestés par de minuscules déplacements de miroirs dans des interféromètres optiques à l'échelle du kilomètre. A l'échelle microscopique, les microscopes à force de résonance atomique et magnétique peuvent désormais révéler la structure atomique des matériaux et même détecter les spins d'atomes isolés.
Mais la sensibilité que l'on peut atteindre avec des moyens purement conventionnels est limitée. Par exemple, Le principe d'incertitude de Heisenberg en mécanique quantique implique la présence d'une "réaction de mesure":la connaissance exacte de l'emplacement d'une particule détruit invariablement toute connaissance de sa quantité de mouvement, et donc de prédire n'importe lequel de ses emplacements futurs.
Les techniques d'évitement de contre-action sont conçues spécifiquement pour « contourner » le principe d'incertitude de Heisenberg en contrôlant soigneusement les informations obtenues et celles qui ne figurent pas dans une mesure, par exemple. en ne mesurant que l'amplitude d'un oscillateur et en ignorant sa phase.
En principe, de telles méthodes ont une sensibilité illimitée mais au prix de l'apprentissage de la moitié des informations disponibles. Mais mis à part les défis techniques, les scientifiques ont généralement pensé que les effets dynamiques résultant de cette interaction optomécanique n'entraînent aucune complication supplémentaire.
Maintenant, dans le but d'améliorer la sensibilité de ces mesures, le laboratoire de Tobias Kippenberg à l'EPFL, travaillant avec des scientifiques de l'Université de Cambridge et d'IBM Research-Zurich, ont découvert de nouvelles dynamiques qui imposent des contraintes inattendues sur la sensibilité réalisable.
Publié dans Examen physique X , le travail montre que de minuscules écarts de la fréquence optique ainsi que des écarts de la fréquence mécanique, peut avoir de graves conséquences, même en l'absence d'effets externes, car les oscillations mécaniques commencent à s'amplifier de manière incontrôlable, imitant la physique de ce qu'on appelle un "oscillateur paramétrique dégénéré".
Le même comportement a été trouvé dans deux systèmes optomécaniques profondément différents, l'un fonctionnant en optique et l'autre en rayonnement micro-ondes, confirmant que la dynamique n'était pas unique à un système particulier. Les chercheurs de l'EPFL ont tracé le paysage de ces dynamiques en réglant les fréquences, démontrant une parfaite adéquation avec la théorie.
"D'autres instabilités dynamiques sont connues depuis des décennies et ont montré qu'elles tourmentent les capteurs d'ondes gravitationnelles", explique Itay Shomroni, scientifique de l'EPFL. le premier auteur de l'article. "Maintenant, ces nouveaux résultats devront être pris en compte dans la conception des futurs capteurs quantiques et dans les applications associées telles que l'amplification quantique sans effet de retour."
