Aktiv støjkontrol til en kvantetromme

Forskere ved Schliesser Lab ved Niels Bohr Institute, Københavns Universitet, har demonstreret en ny måde at løse et centralt problem inden for kvantefysik:på kvanteskalaen, enhver måling forstyrrer det målte objekt. Denne forstyrrelse begrænser, for eksempel, den præcision, hvormed et objekts bevægelse kan spores. Men i en millimeterstørrelse, der vibrerer som et tromlehoved, forskerne har formået at overvåge bevægelsen præcist med en laser - og at fortryde kvanteforstyrrelsen ved målingen. Dette giver dem mulighed for at styre membranens bevægelse på kvantenniveau. Resultatet har potentielle anvendelser i ultrapræcise positionssensorer, hastighed og kraft, og arkitekturen for en fremtidig kvantecomputer. Det er nu offentliggjort i det prestigefyldte videnskabelige magasin, Natur .

På kvante niveau, at foretage målinger forstyrrer det målte objekt:ved hjælp af en laserstråle til at bestemme positionen eller hastigheden af ​​et objekt kræver bombardering af det med mange fotoner. Fotonerne vil sparke det med hver stød, og objektet begynder at bevæge sig i overensstemmelse hermed. Da fotoner ankommer tilfældigt, dette resulterer i yderligere tilfældig bevægelse oven på de originale bevægelser, nedværdigende evnen til at måle og kontrollere den faktiske bevægelsestilstand. Hvis laserintensiteten sænkes, for at reducere en sådan måling "tilbageaktion", signal-støj-forholdet i detektoren falder, og målingen bliver upræcis-igen. "En stærk måling er nødvendig, selvom det resulterer i kvantebagaktion. Alt, hvad vi skal gøre, er at måle og fortryde kvantebagaktionen. Og det er dybest set, hvad det er lykkedes os at gøre ", Professor Albert Schliesser forklarer.

Eksperimentet

"Vores eksperimenter giver os en virkelig unik mulighed:Vores data viser meget tydeligt kvanteeffekter, såsom kvantebagaktion, ved måling af mekanisk bevægelse. Så vi kan teste i vores laboratorier, om smarte ændringer af måleapparatet kan forbedre præcisionen - ved hjælp af tricks, der i de sidste årtier kun kunne teoretiseres, "fortsætter han.

Det eksperimentelle system er et ca. 3x3 mm størrelse membran lavet af det keramiske siliciumnitrid (fig. 1). Den er under høj spænding og vibrerer, når den rammer - ligesom et tromlehoved. Et specielt hulmønster opfundet i Schliessers laboratorium isolerer disse vibrationer ekstremt godt:Når det vibrerer, den gennemgår en milliard svingningscyklusser, før den mister en betydelig brøkdel af sin energi til sine omgivelser. (For en normal tromle, dette tal ville være omkring hundrede.) En yderligere fordel ved siliciumnitrid er, at det ikke absorberer noget af laserlyset, der bruges til at forhøre dets bevægelse - så membranen ikke bliver varm, hvilket igen ville føre til en ukontrolleret bevægelse af membranen.

Styring af den bevægelige kvantetilstand med aktiv støjreduktion

Ekskluderer eksterne forstyrrelser gennem en sådan ekstrem isolation, forskerne kan fokusere på kvanteeffekter af målingen. Ved hjælp af en meget stabil laser, de kan faktisk måle bevægelsen, herunder måling af tilbagegang ned til kvante niveau. "Det bemærkelsesværdige er, at vi derefter kan tage denne måleregistrering, køre det gennem noget elektronik, og anvende en modvirkningskraft på membranen, at fortryde de tilfældige virkninger af kvantebagaktion. Det fungerer dybest set som et sæt støjreducerende hovedtelefoner, bare i kvanteordningen, "forklarer ph.d. -studerende Massimiliano Rossi, en af ​​undersøgelsens hovedforfattere. På denne måde, forskerne kunne deterministisk forberede membranens bevægelse i en ren kvantetilstand - en objektiv fysiker fra en række samfund har forfulgt de sidste 20 år.

Årsagen ligger i alsidigheden af ​​sådanne kvantekontrolteknikker, når de anvendes på bevægelse. LIGO -interferometre er et eksempel. De måler gravitationsbølger, udsendte f.eks. ved at flette sorte huller milliarder af lysår væk, ved at overvåge bevægelsen af ​​store spejle på jorden. For at gendanne disse ekstremt svage signaler, de er nødt til at skubbe følsomheden til en så ekstrem, at kvantegrænserne for bevægelsesmålinger spiller ind. På den anden side, styring af kvantetilstanden i mekaniske systemer kan være nyttig for specielle komponenter i en kvantecomputer. Et hukommelseselement, for eksempel, ville drage fordel af den lange levetid for mekaniske excitationer. Ultimativt, kvantestyrede vibrationer er også interessante fra et grundlæggende synspunkt:da vibration indebærer, at masse bevæger sig, hvilken rolle spiller tyngdekraften? Hvordan påvirker det kvantetilstanden i bevægelse? Dagens accepterede teorier, endsige eksperimenter, har endnu ikke givet klare svar på disse spørgsmål.