Svag værdibaseret metrologi overgår den klassiske grænse

(Phys.org) - Når man måler meget små fysiske effekter, såsom afbøjning af en lysstråle, selve målingen kan påvirke måleresultatet. Nu i en ny undersøgelse, fysikere har eksperimentelt påvist, at en metode designet til at løse dette problem, kaldet svagværdibaseret måling, kan, når den styrkes af en nyligt foreslået teknik kaldet power recycling, overgå den klassiske målegrænse og tilbyde betydelige fordele ved at lave ultranøjagtige kvantemålinger.

Forskerne, ledet af Chuan-Feng Li og Guang-Can Guo ved University of Science and Technology i Kina, har udgivet et papir om den nye demonstration i et nyligt nummer af Fysisk gennemgangsbreve .

Svag værdibaseret metrologi blev først foreslået i 1988 af fysikerne Yakir Aharonov, David Albert, og Lev Vaidman. I denne metode, måleapparatet er kun svagt koblet til det kvantesystem, der skal måles, hvilket reducerer interferensen af ​​målingen på systemet. Målingen foretages også efter effekten opstår, en strategi kaldet postselektion.

I løbet af de sidste årtier har forskere har fundet ud af, at svag-værdi-baseret metrologi kan forbedre målefølsomheden gennem signalforstærkning ved måling af en række forskellige typer kvantesystemer. Imidlertid, det lider af en afvejning, ved at eftervalget, der hjælper med at forstærke signalet, også forårsager sondetab, hvilket betyder, at færre fotoner er tilgængelige til at foretage målingen. På grund af sondetab, nogle nyere undersøgelser har antydet, at den ultimative præcision af svagværdibaseret metrologi ikke kan overstige den klassiske metrologiske grænse, sætter spørgsmålstegn ved fordelene ved svagværdibaseret metrologi.

Den nye undersøgelse markerer første gang, at en svag-værdi-baseret måling har overskredet den øvre klassiske grænse. Den klassiske grænse svarer til grænsen for skudstøj, som er baseret på lysets partikelkarakter, hvor tilfældige udsving forårsaget af individuelle fotoner forstyrrer målepræcisionen.

For at overvinde denne grænse, forskerne brugte en teknik kaldet power recycling, hvilken, som navnet antyder, gør fuld brug af den spildte sonde ved at genbruge den. Forskerne implementerede teknikken i et stråleafbøjningseksperiment ved at reflektere de ikke-eftervalgte fotoner (som ellers ville blive kasseret) fra et spejl, sender dem tilbage til måleenheden. Brug af strømgenbrug, signalet forstærkes som før, men tab af sonde er betydeligt reduceret, hvilket resulterer i en markant højere præcision.

"Vores arbejde giver en ny type højpræcisionsmetrologi, der ikke kun vil øge målefølsomheden i høj grad (udnytte den svage værdi-forstærkningsteknik), men også give en højere præcision, selv når den overskrider den klassiske målegrænse (på grund af strømgenbrugsteknikken), " fortalte Li Phys.org . "Vores arbejde viser for første gang, at metrologi med svag værdi kan gå ud over klassisk metrologi, når målesonden bruges effektivt."

Fysikerne forventer, at strøm-genanvendt, svag-værdi-baseret metrologi kan bruges til at måle mange andre fysiske effekter udover stråleafbøjning.

"Svag værdibaseret metrologi kan bruges til måling af mange meget små fysiske effekter, såsom strålebøjning, faseskift, frekvensforskydninger, temperaturforskydninger, hastighedsmålinger, og andre, og endda ansøgt om påvisning af gravitationsbølger, " sagde Li. "Når det kombineres med energigenbrugsteknikken, Svag-værdi-baseret metrologi vil vise meget højere målepræcision og mere omfattende anvendelse i måling."

Forskerne forventer også, at målepræcisionen kan forbedres yderligere ved at kombinere strømgenbrug med andre teknikker, såsom en multibounce-pulsgenbrugsstrategi, hvor flere refleksioner forbedrer målepræcisionen.

"Vores fremtidige forskning vil koncentrere sig om at øge målepræcisionen for at nå Heisenberg -grænsen, "Sagde Li.

© 2016 Phys.org