Kvantestyring for mere præcise målinger

Kvantesystemer bestående af flere partikler kan bruges til at måle magnetiske eller elektriske felter mere præcist. En ung fysiker ved universitetet i Basel har nu foreslået en ny ordning for sådanne målinger, der bruger en særlig form for korrelation mellem kvantepartikler.

I kvanteinformation, de fiktive agenter Alice og Bob bruges ofte til at illustrere komplekse kommunikationsopgaver. I en sådan proces, Alice kan bruge sammenfiltrede kvantepartikler såsom fotoner til at transmittere eller "teleportere" en kvantetilstand – ukendt selv for hende selv – til Bob, noget, der ikke er muligt ved brug af traditionel kommunikation.

Imidlertid, det har været uklart, om holdet Alice-Bob kan bruge lignende kvantetilstande til andre ting udover kommunikation. En ung fysiker ved universitetet i Basel har nu vist, hvordan bestemte typer kvantetilstande kan bruges til at udføre målinger med højere præcision, end kvantefysikken normalt ville tillade. Resultaterne er offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Naturkommunikation .

Kvantestyring på afstand

Sammen med forskere i Storbritannien og Frankrig, Dr. Matteo Fadel, der arbejder ved fysikafdelingen ved universitetet i Basel, har tænkt over, hvordan højpræcisionsmåleopgaver kan løses ved hjælp af såkaldt kvantestyring.

Kvantestyring beskriver det faktum, at i visse kvantetilstande af systemer bestående af to partikler, en måling på den første partikel giver mulighed for at lave mere præcise forudsigelser om mulige måleresultater på den anden partikel, end kvantemekanikken ville tillade, hvis kun målingen på den anden partikel var blevet foretaget. Det er ligesom om målingen på den første partikel havde "styret" tilstanden af ​​den anden.

Dette fænomen er også kendt som EPJ-paradokset, opkaldt efter Albert Einstein, Boris Podolsky og Nathan Rosen, som første gang beskrev det i 1935. Det bemærkelsesværdige ved det er, at det virker, selvom partiklerne er langt fra hinanden, fordi de er kvantemekanisk sammenfiltrede og kan mærke hinanden på afstand. Det er også det, der gør det muligt for Alice at overføre sin kvantetilstand til Bob i kvanteteleportation.

"Til kvantestyring, partiklerne skal vikles ind i hinanden på en meget speciel måde, " Fadel forklarer. "Vi var interesserede i at forstå, om dette kunne bruges til at lave bedre målinger." Måleproceduren, han foreslår, består i, at Alice udfører en måling på hendes partikel og sender resultatet til Bob.

Takket være kvantestyring, Bob kan derefter justere sit måleapparat, således at målefejlen på hans partikel er mindre, end den ville have været uden Alices information. På denne måde Bob kan måle, for eksempel, magnetiske eller elektriske felter, der virker på hans partikler med høj præcision.

Systematisk undersøgelse af styringsforstærkede målinger

Studiet af Fadel og hans kolleger gør det nu muligt systematisk at studere og demonstrere nytten af ​​kvantestyring til metrologiske anvendelser. "Idéen til dette opstod fra et eksperiment, vi allerede lavede i 2018 i laboratoriet af professor Philipp Treutlein ved universitetet i Basel, siger Fadel.

"I det eksperiment, vi var i stand til at måle kvantestyring for første gang mellem to skyer indeholdende hundredvis af kolde atomer hver. Efter det, vi spurgte os selv, om det kunne være muligt at gøre noget nyttigt med det." I sit arbejde, Fadel har nu skabt et solidt matematisk grundlag for at realisere virkelige måleapplikationer, der bruger kvantestyring som en ressource.

"I nogle få simple tilfælde, vi vidste allerede, at der var en sammenhæng mellem EPR-paradokset og præcisionsmålinger, " siger Treutlein. "Men nu har vi en generel teoretisk ramme, baseret på hvilke vi også kan udvikle nye strategier for kvantemetrologi." Forskere arbejder allerede på at demonstrere Fadels ideer eksperimentelt. I fremtiden dette kan resultere i nye kvanteforstærkede måleenheder.