Conditional Motional Squeezing of an Optomechanical Oscillator Approaching the Quantum Regime

Nel mondo della fisica, esiste una divisione fondamentale tra le regole che governano l'infinitamente piccolo e le regole che governano il mondo quotidiano. Alla scala degli atomi e delle particelle subatomiche, gli oggetti si comportano in modi strani: possono esistere in più stati contemporaneamente e le loro proprietà sono sfumate, definite da probabilità piuttosto che da valori fissi. Questo è il regno della meccanica quantistica. Al contrario, gli oggetti che vediamo e tocchiamo — sedie, auto e persone — seguono le leggi prevedibili della fisica classica. Per oltre un secolo, gli scienziati si sono chiesti dove venga tracciata la linea tra questi due mondi. Perché gli oggetti grandi non si comportano come particelle quantistiche? Per rispondere a questo, i ricercatori stanno cercando di spingere oggetti sempre più grandi nel regno quantistico, costringendoli a obbedire alle strane regole del molto piccolo. Una parte fondamentale di questo sforzo coinvolge lo "squeezing" (compressione), una tecnica che riduce la naturale sfocatura del moto di un oggetto in una direzione, permettendogli al contempo di aumentare in un'altra. Se gli scienziati riuscissero a comprimere il moto di un oggetto grande abbastanza, potrebbero prepararlo in uno stato quantistico speciale, offrendo un nuovo modo per testare come la gravità e la meccanica quantistica possano interagire.

Un team di ricercatori ha ora compiuto un passo significativo verso questo obiettivo, riuscendo a comprimere il moto di un oggetto meccanico minuscolo, ma macroscopico. L'oggetto in questione è un cantilever, una trave microscopica simile a un trampolino di galio arseniuro, che pesa solo 50 nanogrammi. Sebbene questa massa sia incredibilmente leggera per i sensi umani, è massiccia rispetto agli atomi solitamente studiati negli esperimenti quantistici. Il team è riuscito a preparare questo cantilever in uno stato "classicamente compresso", una condizione in cui l'incertezza della sua posizione è ridotta a un livello appena superiore al minimo assoluto consentito dalla fisica quantistica, noto come fluttuazione dello zero di punto. Hanno raggiunto un'incertezza minima di 1,07 volte questo limite fondamentale. Questo risultato è tre ordini di grandezza migliore dei tentativi precedenti che utilizzavano metodi simili, rappresentando un enorme salto in termini di precisione.

L'esperimento si è basato su un'intelligente interazione tra luce e moto. I ricercatori hanno posizionato il minuscolo cantilever all'interno di una camera a vuoto e vi hanno proiettato un laser. Mentre la luce rimbalzava sul cantilever, essa trasportava con sé informazioni sulla posizione dell'oggetto. Misurando questa luce con estrema precisione, il team è riuscito a tracciare il movimento del cantilever in tempo reale. Tuttavia, osservare semplicemente l'oggetto non basta per comprimerlo; l'atto stesso della misurazione esercita una pressione sull'oggetto, aggiungendo un impulso di rumore noto come "back-action" (retroazione). Per superare questo ostacolo, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata preparazione dello stato condizionale. Hanno inserito i dati della misurazione in un filtro informatico che prevedeva la posizione del cantilever basandosi sul suo comportamento passato. Utilizzando questa previsione per comprendere lo stato dell'oggetto in modo più chiaro rispetto alla sola misurazione grezza, sono riusciti efficacemente a "comprimere" il rumore da un aspetto del suo moto.

Una parte critica del loro successo è stata la velocità delle loro misurazioni rispetto alla velocità di vibrazione del cantilever. Affinché lo squeezing funzioni, la velocità con cui raccoglievano le informazioni doveva essere sufficientemente alta da tenere il passo con le oscillazioni naturali dell'oggetto. In questo esperimento, la velocità di misurazione era circa il 54% della frequenza di risonanza del cantilever, una condizione che ha permesso di rompere l'equilibrio abituale in cui l'energia è condivisa equamente tra posizione e quantità di moto. Invece, sono riusciti a ridurre significativamente l'incertezza nella misurazione della posizione, mentre l'incertezza nella misurazione della quantità di moto è aumentata, un compromesso che è un segno distintivo degli stati compressi. Il risultato finale ha mostato che l'incertezza della posizione è stata ridotta a appena 1,07 volte il livello dello zero di punto, mentre l'incertezza della quantità di moto è salita a quasi otto volte tale livello, dimostrando chiaramente che l'energia non era più distribuita equamente.

Nonostante questa impressionante conquista, i ricercatori tengono in grande rilievo il fatto di non aver ancora raggiunto pienamente il regime di "compressione quantistica". Il loro stato è descritto come "classicamente compresso" perché, sebbene violi la regola classica della distribuzione equa dell'energia, non è ancora sceso al di sotto del limite fondamentale del rumore quantistico in un modo che confermi uno stato puramente meccanico quantistico. L'esperimento è stato limitato da varie fonti di rumore, tra cui l'interferenza elettronica e la difficoltà di mantenere il laser perfettamente stabile. Il team ha identificato che il rumore non stazionario, che cambia in modo imprevedibile nel tempo, ha impedito loro di filtrare i dati in tempo reale per creare uno stato quantistico definitivo. Tuttavia, il loro lavoro dimostra che il protocollo è praticabile. Dimostrando che un approccio basato sulla misurazione può comprimere un oggetto macroscopico in modo così efficace, hanno aperto la strada a futuri esperimenti. Con ulteriori miglioramenti per ridurre il rumore e aumentare l'efficienza della misurazione, il team crede che sarà presto possibile preparare oggetti ancora più grandi, includendo potenzialmente gli specchi massicci utilizzati nei rivelatori di onde gravitazionali, in veri stati quantistici compressi. Questo progresso avvicina gli scienziati alla comprensione di come il mondo quantistico transiti nel mondo classico che sperimentiamo ogni giorno.