Banebrydende eksperiment vil teste kvanteteoriens grænser

Forskere fra tre britiske universiteter skal teste en af ​​de grundlæggende love i fysik som en del af et større europæisk projekt, der har fået mere end £ 3 mio. I finansiering.

Eksperter fra University of Southampton, Queen's University Belfast og UCL har dannet et konsortium med europæiske universiteter og britisk fotonikteknologiselskab M Squared for at afprøve grænserne for et af kerneprincipperne for kvantemekanik - de forbløffende fysiske love, der tillader mikroskopiske partikler som atomer og elektroner at blive to steder ad gangen.

Etableret i begyndelsen af ​​det 20. århundrede, kvante teori er en matematisk ramme, der giver, til dato, den mest nøjagtige forståelse af resultaterne af eksperimenter udført på fysiske systemer så små som enkeltatomer, meget små molekyler og meget svagt lys.

Konsortiet har udtænkt et ambitiøst eksperiment for at teste det såkaldte quantum superpositionprincip (QSP) - loven, der tillader mikroskopiske systemer at optræde i to forskellige, fuldstændig skelnes, konfigurationer på samme tid.

Gyldigheden af ​​QSP på mikroskopisk niveau accepteres af forskere, og bekræftet af en enorm mængde data. Men hvad forhindrer det i at gælde for den 'store' verden omkring os? Med andre ord, hvorfor gør hverdagsgenstande som biler, træer og mennesker ikke opfører sig kvantemekanisk og eksisterer to steder på en gang?

Uprøvede teorier fremført siden 1980'erne tyder på eksistensen af ​​en universel baggrundsstøj, der ødelægger QSP for større objekter, såsom partikler, der kan ses ved hjælp af et optisk mikroskop.

Konsortiet 'Project TEQ', ledet af universitetet i Trieste, i Italien, vil teste eksistensen af ​​denne støj takket være en pris på € 4,4 mio. (£ 3,9 mio.) fra Europa -Kommissionen.

Dens eksperiment vil involvere en lille glaspartikel, en tusindedel af bredden af ​​et menneskehår, bliver svævet af et elektrisk felt i et vakuum ved en temperatur tæt på absolut nul (-273C). En laser vil blive skudt på partiklen, og spredning af laserens lys målt for tegn på bevægelse af partiklen.

Hvis der ikke er nogen bevægelse, det betyder, at kvantemekanik stadig gælder i denne skala, og der er ingen universel baggrundsstøj.

Imidlertid, hvis der registreres bevægelse, det angiver eksistensen af ​​en støj, der forhindrer QSP -anvendelse i denne skala. Dette ville repræsentere den første observerede fejl i kvanteteorien, at fastsætte en grænse for den skala, hvormed kvantemekanikken anvendes, og have konsekvenser for store anvendelser af ethvert fysisk system baseret på kvanteprincipper.

Professor Hendrik Ulbricht, fra University of Southampton, sagde:"Langt de fleste fænomener og begivenheder, der forekommer i vores daglige liv, kan redegøres for ved fysikkens love, der blev fastlagt af Isaac Newton, men den mikroskopiske verden adlyder kvantemekanikkens regler, som er så mærkelige, at de kan virke kontraintuitive.

"Om det er muligt at observere kvanteadfærd i makroskopiske objekter, er det store ubesvarede spørgsmål i kvantefysikken. Hvis det viser sig, at vi kan, dette kunne i sidste ende åbne vejen for os at bruge kvantemekanikkens fantastiske egenskaber i et meget større sæt fysiske systemer ud over den mikroskopiske verden. Vi er ved at tage hul på en meget spændende rejse. "

Professor Mauro Paternostro, fra Queen's University Belfast, sagde:"Vores forskningsprogram kunne bevise, at vi ikke behøver at håndtere ekstremt små systemer for at se kvanteeffekter, som i øjeblikket er kvanteteknologiens største begrænsning.

"Hvis du kan bevise, at kvanteteorien strækker sig til større systemer, det vil tilbyde en langt mere robust måde at behandle oplysninger på:Alle chips og integrerede systemer i computere kan blive krympet til en meget mindre skala, og vi ville være i stand til at styre kvante til daglige applikationer.

"Dette ville betyde større databehandlingshastigheder, større hukommelser og større overførselshastigheder for data på tværs af disse større netværk. "

Dr Graeme Malcolm OBE, CEO og medstifter af M Squared, sagde:"Denne fond til TEQ er et glimrende eksempel på EU's fortsatte støtte til kvanteforskning og gør det muligt at teste etableret tankegang bag kvantemekanik til dets grænser.

"Hvis dette arbejde viser, at kvanteeffekter kan ses i større skala, det udvider de potentielle kommercielle anvendelser af kvanteteknologi - især områderne sansning og metrologi vil se betydelige kommercielle muligheder i de kommende årtier. Det er en ære at være en del af teamet, der udforsker potentialet i teknologi, der opererer inden for fysikkens grænser.

Hvis eksperimentet viser, at kvantemekanik kan anvendes på større systemer, det kunne gøre det lettere at skabe kvanteteknologier til brug i rummet, med satellitter, der bruges til at overføre kvanteinformation frem for at stole på fibre på jorden eller under havet. "

Andre potentielle anvendelser omfatter udvikling af ultrafølsomme måleenheder, der kan overgå eksisterende sensorer til at måle tyngdekraftens virkninger.