Un faisceau laser est piégé entre deux miroirs, dont l'un tremble sous l'effet d'une force invisible. Chaque oscillation du miroir modifie la phase de la lumière, et ces variations permettent de déduire la force. Mais la lumière elle-même exerce une pression sur le miroir, c'est l'action en retour quantique, qui impose une limite fondamentale à la précision de la mesure. Cette limite est appelée la limite quantique standard (le bruit minimal dû à la nature quantique de la lumière).
Au lieu d'une seule onde lumineuse dans la cavité de Fabry-Perot (deux miroirs qui réfléchissent la lumière de multiples fois), on excite un trio : le mode central de pompe et deux modes latéraux (des oscillations optiques avec des fréquences satellites), décalés exactement de la fréquence de l'oscillateur mécanique. Ce « triplet optique » évoque un accord parfait en musique : la note centrale est la pompe, et les deux notes latérales sont la réponse à la force externe. Le secret réside dans le fait que les modes latéraux sont asymétriques : ils ont des taux de décroissance différents et des forces de couplage avec la mécanique différentes. C'est précisément cette asymétrie, comme une tension inégale des cordes d'un instrument, qui permet d'éteindre le bruit.
En mesurant les quadratures (les composantes de l'amplitude, comme le cosinus et le sinus) des deux modes latéraux indépendamment, on peut construire une combinaison linéaire telle que les contributions de l'action en retour et du bruit de grenaille (le bruit quantique dû au caractère discret des photons) s'annulent complètement. Lorsque la condition g₊ = g₋ est satisfaite, l'action en retour disparaît, et lorsque G = γₘ (la différence des coefficients de couplage est égale au taux de décroissance mécanique), la grandeur mesurée devient une version amplifiée du signal original sans ajout de bruit. Dans la limite d'une mesure longue, le signal de sortie ne contient ni bruit de grenaille ni action en retour.
Ce résultat bouleverse l'image habituelle : on pensait auparavant que le bruit quantique était inévitable et que la sensibilité était limitée par la limite quantique standard. On montre maintenant que l'asymétrie n'est pas un défaut, mais une ressource. En pratique, un tel schéma peut être réalisé en utilisant des modes d'ordre supérieur dans la cavité, et pour séparer les modes en sortie, on peut utiliser des séparateurs de modes avec une efficacité supérieure à 80%. De tels amplificateurs sans bruit pourraient améliorer la sensibilité des détecteurs d'ondes gravitationnelles, des microscopes à force atomique et des capteurs quantiques, et pourraient également être utiles en communication quantique.
Un accord parfait, où une corde est tendue un peu plus fort, produit un son pur sans bourdonnement de fond. Ici, c'est pareil : une légère asymétrie des modes optiques transforme le bruit quantique en silence, ne laissant que le signal.
Le schéma utilise trois modes optiques dont les fréquences sont espacées exactement de la fréquence de l'oscillateur mécanique. Ce « triplet optique » rappelle un accord parfait en musique, où la note centrale est la pompe et les deux notes latérales sont la réponse à la force externe.
L'idée d'amplifier sans bruit des signaux faibles fait écho au concept de « mesure quantique non destructive » du roman de Greg Egan, « Quarantaine » : là-bas, les héros utilisent des effets quantiques pour observer sans détruire l'état. Dans l'article, un principe similaire est appliqué à une force classique agissant sur un oscillateur quantique.