Hvordan en verdensrekordspressning kunne tilbyde komfort for mørkt stofjægere

UNSW kvanteingeniører har udviklet en ny forstærker, der kan hjælpe andre videnskabsmænd med at søge efter undvigende mørkt stof-partikler.

Forestil dig at kaste en bold. Du ville forvente, at videnskaben var i stand til at finde ud af dens nøjagtige hastighed og placering på ethvert givet tidspunkt, ikke? Tja, teorien om kvantemekanik siger, at du faktisk ikke kan vide begge dele med uendelig præcision på samme tid.

Det viser sig, at efterhånden som du måler mere præcist, hvor bolden er, bliver det mindre og mindre præcist at kende dens hastighed.

Denne gåde omtales almindeligvis som Heisenbergs usikkerhedsprincip, opkaldt efter den berømte fysiker Werner Heisenberg, som først beskrev det.

For bolden er denne effekt umærkelig, men i kvanteverdenen af ​​små elektroner og fotoner bliver måleusikkerheden pludselig meget betydelig.

Det er det problem, som et team af ingeniører ved UNSW Sydney tager fat på, som har udviklet en forstærkeranordning, der udfører præcise målinger af meget svage mikrobølgesignaler, og det gør det gennem en proces kendt som squeezing.

Mikrobølgeklemning

Klemning involverer at reducere sikkerheden af ​​en egenskab ved et signal for at opnå ultrapræcise målinger af en anden egenskab.

Holdet af forskere ved UNSW, ledet af lektor Jarryd Pla, har markant øget nøjagtigheden af ​​målesignaler ved mikrobølgefrekvenser, som dem der udsendes af din mobiltelefon, til det punkt, at de sætter en ny verdensrekord.

Præcisionen af ​​at måle ethvert signal er grundlæggende begrænset af støj. Støj er den uklarhed, der sniger sig ind og maskerer signaler, hvilket er noget, du måske har oplevet, hvis du nogensinde har vovet dig uden for rækkevidde, når du lytter til AM- eller FM-radio.

Men usikkerhed i kvanteverdenen betyder, at der er en grænse for, hvor lavt støj der kan laves i en måling.

"Selv i et vakuum, et rum, der er tom for alting, fortæller usikkerhedsprincippet os, at vi stadig skal have støj. Vi kalder denne 'vakuum'-støj. For mange kvanteforsøg er vakuumstøj den dominerende effekt, der forhindrer os i at foretage mere præcise målinger ," siger A/Prof. Pla fra UNSW's School of Electrical Engineering and Telecommunications, og medforfatter til en artikel udgivet i Nature Communications .

Squeezeren produceret af UNSW-teamet kan slå denne kvantegrænse.

"Enheden forstærker støj i én retning, så støj i en anden retning reduceres betydeligt, eller "klemmes." Tænk på støjen som en tennisbold, hvis vi strækker den lodret, så skal den reduceres langs vandret for at bevare dens volumen. Vi kan derefter bruge den reducerede del af støjen til at lave mere præcise målinger," A/Prof. siger Pla.

"Det er afgørende, at vi viste, at squeezeren er i stand til at reducere støj til rekordlave niveauer."

Enheden var resultatet af omhyggeligt arbejde. Ph.D. kandidat Arjen Vaartjes, fælles hovedforfatter på papiret sammen med UNSW-kolleger Dr. Anders Kringhøj og Dr. Wyatt Vine, tilføjer:"Squeezing er meget vanskeligt ved mikrobølgefrekvenser, fordi de anvendte materialer har en tendens til at ødelægge den skrøbelige sammenpressede støj ganske let.

"Det, vi har gjort, er en masse ingeniørarbejde for at fjerne kilder til tab, hvilket betyder at bruge superledende materialer af meget høj kvalitet til at bygge forstærkeren."

Og holdet mener, at den nye enhed kan hjælpe med at fremskynde søgningen efter notorisk undvigende partikler kendt som axioner, som indtil videre kun er teoretiske, men foreslået af mange som den hemmelige ingrediens i mystisk mørkt stof.