Fra tyverialarmer til sorthulsdetektorer:Supersensorer som mulige output fra et kvantetyngdeeksperiment

Sidste år, Anupam Mazumdar, en fysiker fra universitetet i Groningen, sammen med kolleger fra Storbritannien foreslog et eksperiment, der endegyldigt kunne bevise, om tyngdekraften er et kvantefænomen. Dette eksperiment vil fokusere på at observere to relativt store, indviklede kvantesystemer i frit fald. I en ny artikel, offentliggjort den 4. juni i Physical Review Research , forskerne beskriver mere detaljeret, hvordan to typer støj kan reduceres. De foreslår, at kvanteinterferens kunne anvendes i produktionen af ​​et følsomt instrument, der kunne detektere bevægelser af objekter lige fra sommerfugle til indbrudstyve og sorte huller.

Centralt i dette eksperiment er en lille diamant, kun et par nanometer i størrelse, hvor et af kulstofatomerne er blevet erstattet af et nitrogenatom. Ifølge kvantefysikken, den ekstra elektron i dette atom ville enten absorbere eller ikke absorbere fotonenergien fra en laser.

Diamant

Absorption af energien ville ændre elektronens spinværdi, et magnetisk moment, der kan være enten op eller ned. "Ligesom Schrödingers kat, som er død og levende på samme tid, dette elektronspin absorberer og absorberer ikke fotonenergien, så dens spin er både op og ned, " forklarer Mazumdar. Denne proces resulterer i kvantesuperposition af hele diamanten. Ved at anvende et magnetfelt, det er muligt at adskille de to kvantetilstande. Når disse kvantetilstande bringes sammen igen ved at slukke for magnetfeltet, de vil skabe et interferensmønster.

Denne diamant er lille nok til at opretholde denne superposition, men den er også tilstrækkelig stor til at blive påvirket af tyngdekraften. Når to af disse diamanter placeres ved siden af ​​hinanden under forhold med frit fald, de interagerer kun via tyngdekraften mellem dem. Eksperimentet var oprindeligt designet til at teste, om tyngdekraften i sig selv er et kvantefænomen. Kort fortalt, da sammenfiltring er et kvantefænomen, sammenfiltringen af ​​to objekter, der kun interagerer gennem tyngdekraften, ville tjene som bevis på, at tyngdekraften er et kvantefænomen.

Kollision

Enhver bevægende masse vil have en effekt på dette meget følsomme kvantesystem. I deres seneste avis, Mazumdar og kolleger beskriver, hvordan disse forstyrrelser kan reduceres. Imidlertid, det er også tydeligt, at dette system kunne bruges til at detektere bevægelige masser. Den første kilde til støj er gaskollisionen med forsøgskapslen i frit fald. Selv påvirkningen af ​​fotoner kan skabe en forstyrrelse. "Vores beregninger viser, at disse effekter minimeres ved at placere den eksperimentelle kapsel i en større beholder, som skaber et kontrolleret miljø, " forklarer Mazumdar.

Inde i en sådan ydre beholder, denne støj er ubetydelig ved et tryk på 10 ^-6 Pascal, selv ved stuetemperatur. Kravene til forhold inden for forsøgskapslen er strengere. I øjeblikket, forskerne anslår et påkrævet tryk på 10 ^-15 Pascal på omkring 1 Kelvin. I lyset af den nuværende teknologiske tilstand, dette er endnu ikke muligt, men Mazumdar forventer, at det meget vel kan være muligt inden for omkring 20 år.

Rumaffald

objekter i bevægelse, selv så lille som en sommerfugl, beliggende nær forsøgsstedet udgør en anden støjkilde. Beregninger viser, at denne støj også relativt let kan afbødes ved at begrænse adgangen til forsøgsstedet. Folk bør holde en afstand på mindst 2 meter fra forsøgsstedet, og biler bør holde en minimumsafstand på 10 meter fra stedet. At passere fly i en afstand af mere end 60 meter fra forsøgsstedet ville ikke udgøre et problem. Alle disse krav kan nemt opfyldes.

Når eksperimentet er i gang, dens omfang kunne udvides ud over en undersøgelse af kvantetyngdekraften, ifølge Mazumdar. "Du kunne sætte det i et rumfartøj, hvor den er i frit fald hele tiden. Derefter, du kan bruge den til at registrere indkommende rumaffald. Ved at bruge flere systemer, det ville endda være muligt at få affaldets bane." En anden mulighed er at placere et sådant system i Kuiperbæltet, hvor den ville fornemme bevægelsen af ​​vores solsystem i rummet. "Og den kunne opdage alle nærliggende sorte huller, " tilføjer Mazumdar.

Tilbage på jorden, kvantesystemet ville være i stand til at detektere tektoniske bevægelser og måske give tidlige advarsler om jordskælv. Og, selvfølgelig, kvantesystemets følsomhed over for enhver bevægelse, der forekommer i nærheden af ​​det, ville gøre det til et ideal, hvis det er lidt komplekst, bevægelsessensor og tyverialarm. Men for nu, fokus over de næste par årtier er på at afgøre, om tyngdekraften er et kvantefænomen.