Un rayo láser queda atrapado entre dos espejos, uno de los cuales vibra bajo el efecto de una fuerza invisible. Cada oscilación del espejo cambia la fase de la luz, y por esos cambios se puede inferir la fuerza. Pero la propia luz empuja el espejo: es la acción de retroceso cuántica, que impone un límite fundamental a la precisión de la medición. Ese límite se llama límite cuántico estándar (el ruido mínimo debido a la naturaleza cuántica de la luz).
En lugar de una única onda de luz en el resonador de Fabry-Pérot (dos espejos que reflejan la luz múltiples veces), se excita un trío: el modo central de bombeo y dos modos laterales (oscilaciones ópticas con frecuencias satélite), desplazados exactamente por la frecuencia del oscilador mecánico. Este "trío óptico" recuerda a un acorde musical: la nota central es el bombeo, y las dos laterales son la respuesta a la fuerza externa. El secreto está en que los modos laterales son asimétricos: tienen diferentes tasas de amortiguamiento y distinta fuerza de acoplamiento con la mecánica. Esa asimetría, como la tensión desigual de las cuerdas en un instrumento, permite cancelar el ruido.
Midiendo las cuadraturas (componentes de la amplitud, como el coseno y el seno) de los dos modos laterales de forma independiente, se puede construir una combinación lineal tal que las contribuciones de la acción de retroceso y del ruido de disparo (ruido cuántico debido a la discreción de los fotones) se cancelen por completo. Cuando se cumple la condición g₊ = g₋, la acción de retroceso desaparece, y cuando G = γₘ (la diferencia de coeficientes de acoplamiento es igual a la tasa de amortiguamiento mecánica), la cantidad medida se convierte en una versión amplificada de la señal original sin añadir ruido. En el límite de una medición prolongada, la señal de salida no contiene ni ruido de disparo ni acción de retroceso.
Este resultado rompe el esquema habitual: antes se pensaba que el ruido cuántico era inevitable y que la sensibilidad estaba limitada por el límite cuántico estándar. Ahora se demuestra que la asimetría no es un defecto, sino un recurso. En la práctica, este esquema se puede implementar con modos de orden superior en el resonador, y para separar los modos a la salida se pueden usar clasificadores de modos con una eficiencia superior al 80%. Estos amplificadores sin ruido podrían aumentar la sensibilidad de los detectores de ondas gravitacionales, los microscopios de fuerza atómica y los sensores cuánticos, y también ser útiles en comunicaciones cuánticas.
Un acorde en el que una cuerda está ligeramente más tensa produce un tono puro sin zumbido de fondo. Así ocurre aquí: una ligera asimetría de los modos ópticos convierte el ruido cuántico en silencio, dejando solo la señal.
El esquema utiliza tres modos ópticos cuyas frecuencias están separadas exactamente por la frecuencia del oscilador mecánico. Este "trío óptico" recuerda a un acorde en la música, donde la nota central es el bombeo y las dos laterales son la respuesta a la fuerza externa.
La idea de amplificar sin ruido señales débiles resuena con el concepto de "medición cuántica no demoledora" de la novela de Greg Egan "Cuarentena": allí los protagonistas usan efectos cuánticos para observar sin destruir el estado. En el artículo se aplica un principio análogo a una fuerza clásica que actúa sobre un oscilador cuántico.