Conditional Motional Squeezing of an Optomechanical Oscillator Approaching the Quantum Regime

In de wereld van de natuurkunde bestaat er een fundamentele kloof tussen de regels die de zeer kleine wereld beheersen en de regels die de alledaagse wereld beheersen. Op de schaal van atomen en subatomaire deeltjes gedragen objecten zich op vreemde manieren: ze kunnen tegelijkertijd in meerdere toestanden bestaan, en hun eigenschappen zijn vaag, gedefinieerd door waarschijnlijkheden in plaats van vaste waarden. Dit is het domein van de kwantummechanica. In contrast hiermee volgen de objecten die wij zien en aanraken—stoelen, auto's en mensen—de voorspelbare wetten van de klassieke fysica. Al meer dan een eeuw vragen wetenschappers zich af waar de grens wordt getrokken tussen deze twee werelden. Waarom gedragen grote objecten zich niet als kwantumdeeltjes? Om dit te beantwoorden, proberen onderzoekers steeds grotere objecten in de kwantumwereld te duwen, om hen de vreemde regels van het zeer kleine op te leggen. Een essentieel onderdeel van deze inspanning is "squeezing" (het samenpersen), een techniek die de natuurlijke vaagheid van de beweging van een object in één richting vermindert, terwijl deze in een andere richting mag toenemen. Als wetenschappers de beweging van een groot object genoeg kunnen samenpersen, kunnen ze het in een speciale kwantumtoestand voorbereiden, wat een nieuwe manier biedt om te testen hoe zwaartekracht en kwantummechanica met elkaar kunnen interageren.

Een team van onderzoekers heeft nu een belangrijke stap richting dit doel gezet door succesvol de beweging van een klein, doch macroscopisch, mechanisch object samen te persen. Het object in kwestie is een cantilever, een microscopische duikplank gemaakt van galliumarsenide, die slechts 50 nanogram weegt. Hoewel deze massa voor menselijke zintuigen ongelooflijk licht is, is hij massief vergeleken met de atomen die gewoonlijk worden bestudeerd in kwantumexperimenten. Het team slaagde erin deze cantilever voor te bereiden in een "klassiek samengeperste" toestand, een conditie waarbij de onzekerheid in de positie van het object is verminderd tot een niveau dat net boven de absolute ondergrens ligt die door de kwantumfysica wordt toegestaan, bekend als de nulpuntsfluctuatie. Ze bereikten een minimale onzekerheid van 1,07 keer deze fundamentele limiet. Dit resultaat is drie ordes van grootte beter dan eerdere pogingen met vergelijkbare methoden, wat een enorme sprong in precisie vertegenwoordigt.

Het experiment vertrouwde op een slim samenspel tussen licht en beweging. De onderzoekers plaatsten de kleine cantilever in een vacuümkamer en scheen een laser op het object. Terwijl het licht van de cantilever weerkaatste, nam het informatie over de positie van het object met zich mee. Door dit licht zeer nauwkeurig te meten, kon het team de beweging van de cantilever in realtime volgen. Het simpelweg observeren van het object is echter niet voldoende om het samen te persen; de handeling van het meten oefent ook druk uit op het object, wat een schok van ruis veroorzaakt die bekend staat als "back-action" (terugwerkende kracht). Om dit te overwinnen, gebruikten de onderzoekers een techniek genaamd "conditional state preparation" (conditionele toestandsvoorbereiding). Ze voedden de meetgegevens in een computervilter die de positie van de cantilever voorspelde op basis van het gedrag uit het verleden. Door deze voorspelling te gebruiken om de toestand van het object duidelijker te begrijpen dan de ruwe meting alleen zou toelaten, konden ze de ruis effectief uit één aspect van de beweging van het object "squeezen".

Een cruciaal onderdeel van hun succes was de snelheid van hun metingen ten opzichte van de snelheid van de trilling van de cantilever. Voor squeezing moet de snelheid waarmee zij informatie verzamelden hoog genoeg zijn om de natuurlijke oscillaties van het object bij te houden. In dit experiment was de meetfrequentie ongeveer 54% van de resonantiefrequentie van de cantilever, een conditie die hen in staat stelde de gebruikelijke balans te doorbreken waarbij energie gelijkmatig wordt verdeeld tussen positie en impuls. In plaats daarvan slaagden ze erin de onzekerheid in de positiemeting aanzienlijk te onderdrukken, terwijl de onzekerheid in de impulsmeting toenam, een uitruil die een kenmerk is van samengeperste toestanden. Het uiteindelijke resultaat liet zien dat de positie-onzekerheid werd verminderd tot slechts 1,07 keer het nulpuntsniveau, terwijl de impuls-onzekerheid bijna acht keer dat niveau bereikte, wat duidelijk aantoonde dat de energie niet langer gelijkmatig werd verdeeld.

Ondanks deze indrukwekkende prestatie zijn de onderzoekers voorzichtig om te vermelden dat ze de "kwantum-squeezed" toestand nog niet volledig hebben bereikt. Hun toestand wordt beschreven als "klassiek samengeperst" omdat, hoewel het de klassieke regel van gelijke energieverdeling schendt, het nog niet onder de fundamentele kwantumruisvloer is gezakt op een manier die een volledig kwantummechanische toestand zou bevestigen. Het experiment werd beperkt door diverse bronnen van ruis, waaronder elektronische interferentie en de moeilijkheid om de laser perfect stabiel te houden. Het team identificeerde dat niet-stationaire ruis, die onvoorspelbaar over de tijd verandert, hen verhinderde de gegevens in realtime te filteren om een definitieve kwantumtoestand te creëren. Hun werk bewijst echter dat het protocol levensvatbaar is. Door aan te tonen dat een op meting gebaseerde aanpak een macroscopisch object zo effectief kan samenpersen, hebben zij de weg vrijgemaakt voor toekomstige experimenten. Met verdere verbeteringen om ruis te verminderen en de meetefficiëntie te verhogen, gelooft het team dat het binnenkort mogelijk zal zijn om zelfs grotere objecten, mogelijk inclusief de massieve spiegels die worden gebruikt in detectoren voor zwaartekrachtgolven, in echte kwantum-squeezed toestanden voor te bereiden. Deze vooruitgang brengt wetenschappers dichter bij het begrijpen van hoe de kwantumwereld overgaat in de klassieke wereld die wij dagelijks ervaren.