Forskere bryder kvantegrænsen i præcisionen af ​​kraft- og positionsmålinger

Forskere fra Schliesser Lab ved Niels Bohr Institute, Københavns Universitet, har skubbet præcisionen af ​​kraft- og positionsmålinger ind i et nyt regime. Deres eksperiment er det første til at overgå den såkaldte "Standard Quantum Limit, "eller SQL, som opstår i de mest almindelige (og vellykkede) optiske teknikker til ultrapræcise positionsmålinger. I mere end 50 år har eksperimenterede har kørt for at slå SQL ved hjælp af en række forskellige teknikker, men til ingen nytte. I deres seneste arbejde, forskerne ved Niels Bohr Institute har gjort tricket med en simpel ændring af standardmetoden, hvilket muliggør den nødvendige annullering af kvantestøj i målingen. Resultatet og det underliggende eksperiment har potentielle konsekvenser for gravitationsbølge -astronomiteknikker, samt kraftmikroskopi med biologiske anvendelser. Værket er nu offentliggjort i det prestigefyldte videnskabelige magasin, Naturfysik .

Problemet med kvantestøj

Kvanteaktioner har kvantekonsekvenser. I forbindelse med målinger, dette betyder ofte, at selve handlingen med at måle et kvantesystem forstyrrer det. Denne effekt omtales som 'backaction, "og er en konsekvens af grundlæggende kvanteusikkerhed, først undfanget af Werner Heisenberg under sit ophold på Niels Bohrs Copenhagen Institute i 1920'erne. I mange tilfælde, dette sætter en grænse for, hvor præcis en måling kan blive.

Gravitationsbølgeteleskoper som LIGO, Laserinterferometer Gravitations-Wave Observatorium, hvis opdagelser blev tildelt Nobelprisen i fysik 2017, hoppe laserlys af et spejl for at måle dets position, i en optisk konfiguration kendt som et interferometer. "Upræcisionen" i denne måling kan forbedres ved at øge lasereffekten, men til sidst vil laserfotonernes tilfældige spark forstyrre spejlets position, hvilket fører til en mindre følsom måling, der efterlader svage eller fjerne astronomiske objekter uopdaget. Ved optimalt at afbalancere upræcis støj og tilbageløb, man kan nå et minimum af ekstra støj, etablering af "Standard Quantum Limit" (SQL). Dette minimumsstøjniveau sætter den bedst mulige præcision ved ethvert konventionelt interferometer.

For at komme uden om denne grænse, man skal ændre interferometeret på en eller anden måde for at undgå disse kvantestøjkilder. I de 50 år siden SQL blev etableret, der er fremsat forskellige forslag, og de seneste år har bragt flere bevis-af-princip-eksperimentelle demonstrationer. Indtil nu, intet eksperiment har faktisk målt placeringen af ​​et objekt med en præcision, der slår SQL. Men det er netop det, København -teamet har opnået, takket være avancerede optiske og nanomekaniske teknikker.

Bedre end guldstandarden

"SQL er noget af en guldstandard for kvaliteten af ​​en måling. Det er ikke noget, der grundlæggende ikke kan overvindes, men hvad angår kraft- og positionsmålinger, det viste sig at være meget hårdt. Selv LIGO er der ikke endnu. Men med vores system troede vi, at vi skulle have en chance, "forklarer prof. Schliesser, der ledede holdet. Dette system er en eksperimentel platform udviklet i Schliessers gruppe i løbet af de sidste år. Ligesom LIGO, den bruger et laserdrevet interferometer til at måle en position, i dette tilfælde en membran fremstillet af det keramiske siliciumnitrid. Mens den er meget tynd (20 nanometer), membranen er flere millimeter bred og let synlig med det blotte øje. Det 'trick', forskerne anvender til at gå ud over SQL, indebærer at foretage en særlig måling af lyset, der reflekteres fra membranen. I denne konfiguration, detektoren er i stand til samtidig at måle både upræcision og tilbageaktion på en måde, der lader disse støjkilder annullere hinanden. Med andre ord, hvad der er tilbage er en "ren" måling.

30 procent forbedring er meget gode nyheder til praktiske applikationer

"Når vi vidste, at vi kunne komme meget tæt på SQL, de ændringer, der kræves for at slå den, var faktisk ret ligetil, "forklarer Dr. David Mason, en amerikansk postdoc i København, og hovedforfatter af undersøgelsen. "Vi bruger kvanteeffekter, der opstår i selve måleopsætningen, så den ekstra teknologiske indsats er faktisk begrænset. Det er gode nyheder for potentielle praktiske anvendelser. "Ved hjælp af denne teknik, gruppen på NBI var i stand til at måle placeringen af ​​deres membran med en præcision på næsten 30 procent bedre end hvad SQL ville tillade. Dette markerer et vendepunkt for kvantemålinger af mekaniske objekter, fremhæver, hvor langt den state-of-the-art er blevet avanceret, og tyder på en lys vej frem. Opto-mekaniske systemer som det her studerede er klar til at fortsætte udviklingen af ​​teknikker relateret til gravitationsbølge-astronomi, samtidig med at de anvender deres ekstreme følsomhed på andre arenaer. Enheder fra Schliesser Lab er allerede integreret i state-of-the-art force-sensing applikationer, hvor de kan aktivere MR-lignende billeder i en nanometer skala, måske billeddannelse af individuelle HI- eller influenzavirus.