Nærmer sig Heisenberg-grænsen

En fodbold er ikke en kvantepartikel. Der er afgørende forskelle mellem de ting, vi kender fra hverdagen, og bittesmå kvanteobjekter. Kvantefænomener er normalt meget skrøbelige. For at studere dem, man bruger normalt kun et lille antal partikler, godt afskærmet fra miljøet, ved de lavest mulige temperaturer.

Gennem et samarbejde mellem universitetet i Wien, det østrigske videnskabsakademi og TU Wien, imidlertid, det har nu været muligt at måle en varm glaskugle bestående af omkring en milliard atomer med hidtil uset præcision og kontrollere den på kvanteniveau. Dens bevægelse blev bevidst bremset, indtil den antog grundtilstanden med lavest mulig energi. Målemetoden nåede næsten grænsen sat af Heisenbergs usikkerhedsprincip – fysikken tillader bare ikke mere præcision end det. Dette blev gjort muligt ved at anvende specielle metoder fra kontrolteknik til kvantesystemer. Resultaterne er nu offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Natur .

Perfekt præcision er umulig

Målingen påvirker det målte objekt - dette er et af kvanteteoriens mest grundlæggende principper. "Werner Heisenberg kom op med et berømt tankeeksperiment - det såkaldte Heisenberg-mikroskop" forklarer fysiker Lorenzo Magrini, den første forfatter til undersøgelsen fra universitetet i Wien. "Hvis du vil måle positionen af ​​et objekt meget præcist under et mikroskop, du skal bruge lys med den kortest mulige bølgelængde. Men kort bølgelængde betyder højere energi, så partiklens bevægelse forstyrres kraftigere." Man kan bare ikke nøjagtigt måle en partikels placering og bevægelsestilstand på samme tid. Produktet af deres usikkerheder er altid begrænset af Plancks konstant - dette er den såkaldte Heisenbergs usikkerhedsprincip. det er muligt at finde ud af, hvor tæt man kan komme på denne grænse sat af naturen.

Prof. Markus Aspelmeyers team ved universitetet i Wien undersøger dette ved hjælp af en glaskugle med en diameter på mindre end 200 nanometer, bestående af omkring en milliard partikler - meget små efter vores daglige standarder, men stadig meget store sammenlignet med objekter, der normalt studeres i kvantefysik.

Glaskuglen kan holdes på plads med en laserstråle. Kuglens atomer opvarmes af laseren, og kuglens indre temperatur stiger til flere hundrede grader Celsius. Det betyder, at glaskuglens atomer slingrer voldsomt rundt. I forsøget imidlertid, det var ikke de enkelte atomers vaklende bevægelser, der blev undersøgt, men kuglens kollektive bevægelse i laserfælden. "Det er to helt forskellige ting, ligesom bevægelsen af ​​et pendul i et pendulur er noget andet end bevægelsen af ​​de enkelte atomer inde i pendulet, siger Markus Aspelmeyer.

Kvantestyringsteknologi

Målet var præcist at kontrollere glaskuglens pendulbevægelse på kvanteniveau, selvom glaskuglen faktisk er et makroskopisk objekt. Dette kan kun opnås ved hjælp af et perfekt designet kontrolsystem, nøje tilpasset eksperimentet. Denne opgave blev påtaget af teamet af prof. Andreas Kugi ved TU Wien.

"Kontrolteknik handler om at påvirke systemer på en sådan måde, at de udviser en ønsket adfærd uafhængigt af forstyrrelser og parameterudsving, " siger Andreas Kugi. "Dette kan være en robotarm, for eksempel, en produktionslinje på en fabrik, eller endda temperaturen i en højovn." Anvendelse af moderne metoder til reguleringsteknik på kvantesystemer åbner op for nye muligheder. "Men, man skal også stå over for udfordringer, der ikke eksisterer i klassisk systemteori og kontrolteknik, " forklarer Kugi. "I klassisk reguleringsteknik, målingen har ingen eller ubetydelig indflydelse på systemet. I kvantefysik, imidlertid, denne påvirkning kan ikke undgås, af meget grundlæggende årsager. Vi er derfor også nødt til at udvikle nye reguleringstekniske metoder."

Dette var en succes:lyset tilbagespredt af glaskuglen blev detekteret så grundigt som muligt, ved hjælp af en sofistikeret mikroskopiteknik. Ved at analysere det spredte lys, kuglens position blev bestemt i realtid, og så blev et elektrisk felt løbende justeret på en sådan måde, at det permanent modvirkede glaskuglens bevægelse. På denne måde det var muligt at bremse hele kuglen og sætte den i en bevægelsestilstand, der svarer til den kvantefysiske grundtilstand, dvs. tilstanden af ​​den mindst mulige kinetiske energi - på trods af at det er et relativt stort objekt ved høje temperaturer, hvis atomer vakler kraftigt.

Lovende samarbejde mellem fysik og reguleringsteknik

"Du skal altid overveje rumlig og kinetisk usikkerhed sammen. glaskuglens kvanteusikkerhed var kun 1,7 gange Plancks virkningskvante, " siger Lorenzo Magrini. Plancks konstant ville være den absolutte teoretiske nedre grænse, aldrig før er et eksperiment kommet så tæt på den absolutte kvantegrænse ved at bruge et objekt af denne størrelse. Den kinetiske energi målt i eksperimentet svarede til en temperatur på kun 5 mikro-kelvin, dvs. 5 milliontedele af en grad over det absolutte nulpunkt. Bevægelsen af ​​glaskuglen som helhed kan derfor tildeles en ekstrem lav temperatur, selvom atomerne, der udgør kuglen, er meget varme.

Denne succes viser det store potentiale i denne nye kombination af kvantefysik og kontrolteknik:Begge forskningsgrupper ønsker at fortsætte med at arbejde i denne retning og udnytte knowhow fra kontrolteknik til at muliggøre endnu bedre og mere præcist kontrollerede kvanteeksperimenter. Der er mange anvendelsesmuligheder for dette, lige fra kvantesensorer til teknologier fra kvanteinformationsområdet.