Smart atomsky løser Heisenbergs observationsproblem

Forskere ved Københavns Universitet har udviklet et praktisk svar på en udfordring knyttet til Heisenbergs usikkerhedsprincip. Forskerne brugte laserlys til at forbinde cæsiumatomer og en vibrerende membran. Forskningen, den første af slagsen, peger på sensorer, der er i stand til at måle bevægelse med usynlig præcision.

Ved måling af atomstrukturer eller lysemissioner på kvantenniveau ved hjælp af avancerede mikroskoper eller andre former for specialudstyr, tingene er komplicerede på grund af et problem, som i løbet af 1920'erne, havde Niels Bohrs og Werner Heisenbergs fulde opmærksomhed. Og dette problem, håndtering af unøjagtigheder, der ødelægger visse målinger udført på kvanteniveau, er beskrevet i Heisenbergs Usikkerhedsprincip, der siger, at komplementære variabler af en partikel, såsom hastighed og position, kan aldrig kendes samtidigt.

I en videnskabelig rapport offentliggjort i denne uges udgave af Natur , NBI -forskere demonstrerer, at Heisenbergs Usikkerhedsprincip til en vis grad kan neutraliseres. Dette er aldrig blevet vist før, og resultaterne kan sætte gang i udviklingen af ​​nyt måleudstyr, og nye og bedre sensorer.

Professor Eugene Polzik, leder af Kvanteoptikken (QUANTOP) på Niels Bohr Institutet, ledet forskningen, som involverede konstruktionen af ​​en vibrerende membran og en avanceret atomsky låst inde i et minuts glasbur.

Lys 'spark' objekt

Usikkerhedsprincippet kommer frem i observationer foretaget via et mikroskop, der arbejder med laserlys, hvilket uundgåeligt vil føre til, at objektet bliver sparket af fotoner. Som et resultat af disse spark, objektet begynder at bevæge sig tilfældigt. Dette fænomen er kendt som quantum back action (QBA), og disse tilfældige bevægelser sætter en grænse for nøjagtigheden, hvormed målinger kan udføres på kvanteniveau. For at udføre eksperimenterne på NBI, professor Polzik og hans samarbejdspartnere brugte en skræddersyet membran som objektet observeret på kvanteniveau.

I de seneste årtier har forskere har forsøgt at finde måder at 'narre' Heisenbergs usikkerhedsprincip. Eugene Polzik og hans kolleger kom på ideen om at implementere den avancerede atomsky for et par år siden. Det består af 100 millioner cæsium atomer låst i en hermetisk lukket glascelle, forklarer professoren:

"Cellen er kun en centimeter lang, 1/3 millimeter høj og 1/3 millimeter bred, og for at få atomerne til at fungere efter hensigten, de indre cellevægge er blevet belagt med paraffin. Membranen, hvis bevægelser vi observerede på kvante niveau, måler 0,5 millimeter, som faktisk er en betydelig størrelse set fra et kvanteperspektiv. "

Ideen bag glascellen er bevidst at sende laserlyset, der bruges til at studere membranbevægelserne gennem den indkapslede atomsky, inden lyset når membranen, forklarer Eugene Polzik:"Dette resulterer i, at laserlysfotoner 'sparker' objektet-dvs. membranen-samt atomskyen, og disse 'spark, ' så at sige, annullere. Dette betyder, at der ikke længere er nogen kvante -back -handling - og derfor ingen begrænsninger med hensyn til, hvor præcist målinger kan udføres på kvanteniveau. "

Hvordan kan dette udnyttes?

"For eksempel, ved udvikling af nye og meget mere avancerede typer sensorer til analyser af bevægelser, ", siger professor Eugene Polzik. "Generelt sagt, sensorer, der opererer på kvanteniveau, får meget opmærksomhed i disse dage. Et eksempel er Quantum Technologies Flagship, et omfattende EU-program, som også understøtter denne type forskning."

Det faktum, at det er, Ja, muligt at 'narre' Heisenbergs Usikkerhedsprincip kan også vise sig at være væsentlig i forhold til bedre at forstå gravitationsbølger - bølger i rummet, der bevæger sig med lysets hastighed. I september 2015, det amerikanske LIGO -eksperiment offentliggjorde de første direkte registreringer og målinger af gravitationsbølger, der stammer fra en kollision mellem to meget store sorte huller. Imidlertid, det udstyr, der bruges af LIGO, er påvirket af kvante-rygvirkning, og den nye forskning fra NBI kan vise sig i stand til at fjerne dette problem, siger Polzik.