Omdefinering af grænserne for målenøjagtighed

I århundreder, mennesker har udvidet deres forståelse af verden gennem mere og mere præcis måling af lys og stof. I dag, kvantesensorer opnår ekstremt nøjagtige resultater. Et eksempel på dette er udviklingen af ​​atomure, som forventes hverken at vinde eller tabe mere end et sekund om tredive milliarder år. Gravitationsbølger blev også detekteret via kvantesensorer, i dette tilfælde ved hjælp af optiske interferometre.

Kvantesensorer kan nå følsomheder, der er umulige i henhold til lovene i konventionel fysik, der styrer hverdagen. Disse følsomhedsniveauer kan kun nås, hvis man kommer ind i kvantemekanikkens verden med dens fascinerende egenskaber - såsom fænomenet superposition, hvor objekter kan være to steder på én gang, og hvor et atom kan have to forskellige energiniveauer på samme tid.

Både at generere og kontrollere sådanne ikke-klassiske tilstande er ekstremt komplekst. På grund af det høje niveau af følsomhed, der kræves, disse målinger er tilbøjelige til ekstern interferens. Desuden, ikke-klassiske tilstande skal tilpasses til en bestemt måleparameter. "Desværre, dette resulterer ofte i øget unøjagtighed vedrørende andre relevante måleparametre ", siger Fabian Wolf, beskriver udfordringen. Dette koncept er tæt forbundet med Heisenbergs usikkerhedsprincip. Wolf er en del af et team af forskere fra Leibniz University Hannover, Physikalisch-Technische Bundesanstalt i Braunschweig, og National Institute of Optics i Firenze. Holdet introducerede en metode baseret på en ikke-klassisk tilstand tilpasset to måleparametre på én gang.

Forsøget kan visualiseres som den kvantemekaniske version af et simpelt pendul. I dette tilfælde, de tilpassede måleparametre er pendulets maksimale forskydning (amplitude) og antallet af svingninger pr. sekund (frekvens). Pendulet omfatter en enkelt magnesiumion indlejret i en "ionfælde". Via laserlys interaktioner, forskere var i stand til at afkøle magnesiumionen til grundtilstanden i et kvantemekanisk system, den koldeste tilstand, man kan opnå. Derfra, de genererede en "Fock -tilstand" af bevægelsen og svingede enkeltatompendulet ved hjælp af en ekstern kraft. Dette gjorde det muligt for dem at måle amplitude og frekvens med en følsomhed uovertruffen af ​​et konventionelt pendul. I modsætning til tidligere forsøg, dette var tilfældet for begge måleparametre uden at skulle justere den ikke-klassiske tilstand.

Ved hjælp af denne nye tilgang, holdet reducerede måletiden til det halve, mens opløsningen forblev konstant eller fordoblede opløsningen med en konstant måletid. Høj opløsning er især vigtig for spektroskopiteknikker baseret på ændring af bevægelsestilstanden. I dette særlige tilfælde, forskere har til hensigt at analysere individuelle molekylære ioner via laserbestråling for at stimulere molekylær bevægelse. Den nye procedure vil sætte dem i stand til at analysere molekylets tilstand, før det forstyrres af for intens laserbestråling. "For eksempel, præcisionsmålinger af molekyler kan afsløre interaktioner mellem konventionelt og mørkt stof, hvilket ville være et stort bidrag til at løse et af de største mysterier i nutidens fysik ", siger Fabian Wolf. Målekonceptet, som forskere demonstrerede for første gang, kunne også forbedre opløsningen i optiske interferometre såsom gravitationsbølgedetektorer-hvilket giver mere dybdegående indsigt i universets daggry.