Echapper à Heisenberg n'est pas facile

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 manifestées par de minuscules déplacements de miroirs dans des interféromètres optiques à échelle kilométrique. À l'échelle microscopique, les microscopes à force à résonance atomique et magnétique peuvent maintenant révéler la structure atomique des matériaux et même détecter les spins d'atomes individuels.

Mais la sensibilité que l'on peut atteindre par des moyens purement conventionnels est limitée. Par exemple, le principe d'incertitude de Heisenberg en mécanique quantique implique la présence d'une "rétroaction de mesure" : la connaissance exacte de l'emplacement d'une particule détruit invariablement toute connaissance de sa dynamique, et donc de prédire n'importe lequel de ses emplacements futurs.

Les techniques d'évitement du contre-réaction sont conçues spécifiquement pour " contourner " le principe d'incertitude de Heisenberg en contrôlant soigneusement ce qui est acquis et ce qui ne l'est pas dans une mesure, par exemple en mesurant uniquement l'amplitude d'un oscillateur et en ignorant sa phase.

En principe, ces méthodes sont d'une sensibilité illimitée, mais au prix de l'apprentissage de la moitié de l'information disponible. Mais au-delà des défis techniques, les scientifiques ont généralement pensé que les effets dynamiques découlant de cette interaction optomécanique n'entraînent pas de complications supplémentaires.

Aujourd'hui, afin d'améliorer la sensibilité de ces mesures, le laboratoire de Tobias Kippenberg à l'EPFL, en collaboration avec des scientifiques de l'Université de Cambridge et IBM Research - Zurich, a découvert de nouvelles dynamiques qui imposent des contraintes inattendues sur la sensibilité réalisable. Publié dans Physical Review X, l'ouvrage montre que de minuscules écarts dans la fréquence optique ainsi que des écarts dans la fréquence mécanique peuvent avoir de graves conséquences - même en l'absence d'effets extérieurs - lorsque les oscillations mécaniques commencent à s'amplifier de façon incontrôlée, imitant la physique de ce que l'on appelle un "oscillateur paramétrique dégénéré".

Le même comportement a été constaté dans deux systèmes optomécaniques profondément différents, l'un fonctionnant avec des rayonnements optiques et l'autre avec des rayonnements micro-ondes, ce qui confirme que la dynamique n'était pas unique à un système particulier. Les chercheurs de l'EPFL ont cartographié le paysage de ces dynamiques en accordant les fréquences, démontrant une parfaite adéquation avec la théorie.

"D'autres instabilités dynamiques sont connues depuis des décennies et se sont révélées être des fléaux pour les capteurs d'ondes gravitationnelles ", explique Itay Shomroni, scientifique de l'EPFL et premier auteur du document. "Ces nouveaux résultats devront désormais être pris en compte dans la conception des futurs capteurs quantiques et dans des applications connexes telles que l'amplification quantique sans contre-réaction.