回避海森堡的不确定性原理并不容易

两个不同的量子光力学系统

两个不同的量子光力学系统被用来演示反避测量中的新动力学。左图(黄色):硅纳米束同时支持光学模式和5千兆赫机械模式,在4开尔文的氦-3低温恒温器中工作,并使用光纤发送的激光进行探测。右(紫色):微波超导电路耦合到一个6兆赫兹机械兼容电容器,操作在稀释冰箱在15毫开尔文。资料来源:EPFL I. Shomroni。

EPFL的研究人员,与剑桥大学和苏黎世IBM研究中心的同事一起,解开了光和机械运动相互作用的新动力学,这对量子测量有重大意义,旨在逃避探测器在臭名昭著的“反向作用极限”问题中的影响。

近年来,机械运动的经典测量方法的局限性已经超出了人们的预期,例如在第一次直接观测中引力波在千米级光学干涉仪中,这表现为镜面的微小位移。在微观尺度上,原子和磁共振力显微镜现在可以揭示材料的原子结构,甚至可以感知单个原子的自旋。

但是,单纯使用传统手段所能达到的灵敏度是有限的。例如,量子力学中的海森堡测不准原理暗示了“测量反作用力”的存在:对粒子位置的准确认识总是会破坏对其动量的认识,从而破坏对其未来位置的预测。

Backaction-evading技术是专门设计来“回避”海森堡的不确定性原理,通过仔细控制什么信息是获得的,什么不是在测量,例如,通过测量一个振荡器的振幅和忽略它的相位。

原则上,这种方法具有无限的灵敏度,但代价是要学习一半的现有信息。但撇开技术上的挑战不谈,科学家们普遍认为,由这种光机械相互作用产生的任何动力效应不会带来任何进一步的复杂性。

现在,为了提高这种测量的灵敏度,EPFL的Tobias Kippenberg实验室与剑桥大学和苏黎世IBM研究中心的科学家们合作,发现了一种新的动态,对可实现的灵敏度施加了意想不到的限制。发表物理评论X2019年10月30日,光学频率的工作表明,微小的偏差与偏差在机械频率,可以有严重的结果——即使没有外来的影响,随着机械振荡开始放大失控,模仿所谓的物理“简并参量振荡器。”

在两种完全不同的光机械系统中也发现了同样的行为,一种是光学系统,另一种是微波辐射系统,这证实了这种动力学不是任何特定系统所独有的。EPFL的研究人员通过调节频率绘制了这些动态的图景,证明了与理论的完美匹配。

EPFL的科学家、论文的第一作者Itay Shomroni说:“几十年来,人们已经知道了其他的动力不稳定性,并证明了它们困扰着引力波传感器。”“现在,这些新的结果必须考虑到未来的量子传感器的设计和相关的应用,如无反向量子放大。”

引用:Itay Shomroni, Amir Youssefi, Nick Sauerwein, Liu Qiu, Paul Seidler, Daniel Malz, Andreas Nunnenkamp和Tobias J. Kippenberg, 2019年10月30日物理评论X
DOI: 10.1103 / PhysRevX.9.041022

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