洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院、劍橋大學(xué)、IBM研究-蘇黎世分校的科學(xué)家們一起，揭示了光和機(jī)械運(yùn)動(dòng)之間相互作用中的新動(dòng)力學(xué)，對(duì)旨在規(guī)避著名的“反向作用限制”問(wèn)題中探測(cè)器的影響量子測(cè)量具有重要意義。

近些年來(lái)，機(jī)械運(yùn)動(dòng)的經(jīng)典測(cè)量極限已經(jīng)超出了預(yù)期，例如在第一次直接觀測(cè)引力波時(shí)，表現(xiàn)為千米級(jí)光學(xué)干涉儀中鏡面的微小位移。在微觀尺度上，原子力顯微鏡和磁共振力顯微鏡現(xiàn)在可以揭示材料的原子結(jié)構(gòu)，甚至可以感覺(jué)到單個(gè)原子的自旋。

但是使用純粹的常規(guī)手段，所能達(dá)到的敏感性有限。例如，在量子力學(xué)中，海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理暗示了“測(cè)量反作用”的存在：對(duì)粒子位置的精確測(cè)量總是會(huì)破壞任何關(guān)于它的動(dòng)量，因此也就破壞了預(yù)測(cè)它的任何未來(lái)位置。回溯規(guī)避技術(shù)專門(mén)設(shè)計(jì)為“繞過(guò)”海森堡不確定性原理，通過(guò)仔細(xì)控制測(cè)量中獲得的信息和未獲得信息，例如只測(cè)量振蕩器的振幅而忽略其相位。理論上，這種方法具有無(wú)限的靈敏度，但代價(jià)是只有一半的可用信息。

但撇開(kāi)技術(shù)挑戰(zhàn)不談，科學(xué)家們普遍認(rèn)為，這種光機(jī)械相互作用產(chǎn)生的任何動(dòng)力效應(yīng)，都不會(huì)帶來(lái)任何進(jìn)一步的復(fù)雜性。現(xiàn)在，為了提高此類測(cè)量的靈敏度，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的Tobias Kippenberg實(shí)驗(yàn)室與劍橋大學(xué)和IBM研究-蘇黎世分校的科學(xué)家合作，發(fā)現(xiàn)了新的動(dòng)力學(xué)，對(duì)可實(shí)現(xiàn)的靈敏度施加了意想不到的限制。在發(fā)表在《物理評(píng)論X》期刊上的這項(xiàng)研究表明，光學(xué)頻率的微小偏差與機(jī)械頻率的偏差一起，可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果（即使在沒(méi)有外來(lái)影響的情況下）。

因?yàn)闄C(jī)械振蕩開(kāi)始失控地放大，模仿“簡(jiǎn)并參數(shù)振蕩器”的物理特性。在兩個(gè)截然不同的光學(xué)機(jī)械系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了相同行為，一個(gè)使用光學(xué)，另一個(gè)使用微波輻射，證實(shí)了這種動(dòng)力學(xué)并不是任何特定系統(tǒng)所獨(dú)有的。洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員通過(guò)調(diào)整頻率繪制了這些動(dòng)態(tài)的圖景，證明了與理論的完美匹配。第一作者、科學(xué)家伊泰·肖羅尼(Itay Shomroni)表示：其他動(dòng)力不穩(wěn)定性幾十年來(lái)一直為人所知，并被證明會(huì)困擾引力波傳感器?，F(xiàn)在，這些新結(jié)果必須在未來(lái)的量子傳感器設(shè)計(jì)和相關(guān)應(yīng)用中考慮，例如無(wú)反作用的量子放大。

博科園｜研究/來(lái)自：洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院

參考期刊《物理評(píng)論X》

DOI: 10.1103/PhysRevX.9.041022

博科園｜科學(xué)、科技、科研、科普

關(guān)注【博科園】看更多大美宇宙科學(xué)