ICFO-onderzoekers melden de ontdekking van een nieuwe techniek die de gevoeligheid van instrumenten zoals magnetische resonantiebeelden (MRI's) en atoomklokken drastisch zou kunnen verbeteren. De studie, gepubliceerd in Natuur , rapporteert een techniek om het onzekerheidsprincipe van Heisenberg te omzeilen. Deze techniek verbergt kwantumonzekerheid in atomaire kenmerken die het instrument niet ziet, waardoor de wetenschappers zeer nauwkeurige metingen kunnen doen.

State-of-the-art sensoren, zoals MRI's en atoomklokken, zijn in staat om metingen te doen met uitstekende precisie. MRI wordt gebruikt om weefsels diep in het menselijk lichaam in beeld te brengen en vertelt ons of we mogelijk aan een ziekte lijden, terwijl atoomklokken uiterst nauwkeurige tijdwaarnemers zijn die worden gebruikt voor GPS, internet synchronisatie, en lange basislijninterferometrie in radioastronomie. Je zou kunnen denken dat deze twee instrumenten niets gemeen hebben, maar dat doen ze wel:beide technologieën zijn gebaseerd op nauwkeurige meting van de spin van het atoom, de gyroscoop-achtige beweging van de elektronen en de kern. Bij MRI, bijvoorbeeld, de aanwijshoek van de spin geeft informatie over waar in het lichaam het atoom zich bevindt, terwijl de hoeveelheid spin (de amplitude) wordt gebruikt om verschillende soorten weefsel te onderscheiden. Door deze twee stukjes informatie te combineren, de MRI kan een 3D-kaart maken van de weefsels in het lichaam.

Lange tijd werd gedacht dat de gevoeligheid van dit soort metingen werd beperkt door het onzekerheidsprincipe van Heisenberg, waarin staat dat het nauwkeurig meten van één eigenschap van een atoom een ​​limiet stelt aan de nauwkeurigheid van de meting die u op een andere eigenschap kunt verkrijgen. Bijvoorbeeld, als we de positie van een elektron met hoge precisie meten, Het principe van Heisenberg beperkt de nauwkeurigheid bij het meten van het momentum. Aangezien de meeste atomaire instrumenten twee eigenschappen meten (spinamplitude en hoek), het principe lijkt te zeggen dat de metingen altijd enige kwantumonzekerheid zullen bevatten. Deze al lang bestaande verwachting is nu weerlegd, echter, door ICFO-onderzoekers Dr. Giorgio Colangelo, Ferran Martin Ciurana, Lorena C. Bianchet en Dr. Robert J. Sewell, onder leiding van ICREA Prof. bij ICFO Morgan W. Mitchell. In hun artikel "Gelijktijdig volgen van spinhoek en amplitude voorbij klassieke limieten", deze week gepubliceerd in Natuur , ze beschrijven hoe een goed ontworpen instrument kwantumonzekerheid bijna volledig kan vermijden.

De truc is om te beseffen dat de spin niet één maar twee wijzende hoeken heeft, één voor de noord-oost-zuid-west richting, en de andere voor de hoogte boven de horizon. Het ICFO-team liet zien hoe bijna alle onzekerheid in de hoek kan worden gestopt die niet door het instrument wordt gemeten. Op deze manier gehoorzaamden ze nog steeds aan Heisenbergs eis van onzekerheid, maar verborg de onzekerheid waar het geen kwaad kan. Als resultaat, ze waren in staat om een ​​hoek-amplitudemeting van ongekende precisie te verkrijgen, niet gehinderd door kwantumonzekerheid.

Prof. Mitchell gebruikt een solide analogie om te stellen dat "Voor wetenschappers, het onzekerheidsprincipe is erg frustrerend - we willen graag alles weten, maar Heisenberg zegt dat we dat niet kunnen. In dit geval, Hoewel, we hebben een manier gevonden om alles te weten wat voor ons belangrijk is. Het is net als het Rolling Stones-nummer:je kunt niet altijd krijgen wat je wilt / maar als je het soms probeert, vind je / krijg je wat je nodig hebt."

In hun studie hebben het ICFO-team koelde een wolk van atomen af ​​tot een paar microkelvin, een magnetisch veld toegepast om spinbeweging te produceren zoals in MRI, en verlichtte de wolk met een laser om de oriëntatie van de atomaire spins te meten. Ze merkten op dat zowel de spinhoek als de onzekerheid continu kunnen worden gecontroleerd met een gevoeligheid die de eerder verwachte limieten overschrijdt, hoewel nog steeds gehoorzaamt aan het principe van Heisenberg.

Wat betreft de uitdagingen tijdens het experiment, Colangelo merkt op dat "in de eerste plaats, we moesten een theoretisch model ontwikkelen om te zien of wat we wilden doen echt mogelijk was. Vervolgens, niet alle technologieën die we voor het experiment gebruikten, bestonden toen we begonnen:onder hen we moesten een bepaalde detector ontwerpen en ontwikkelen die snel genoeg was en weinig ruis had. We moesten ook veel verbeteren in de manier waarop we de atomen 'voorbereiden' en een manier vinden om al het dynamische bereik dat we in de detector hadden efficiënt te gebruiken. Het was een strijd tegen de Dark Side van Quantum, maar we hebben gewonnen!"

De resultaten van de studie zijn van het grootste belang, aangezien deze nieuwe techniek aantoont dat het mogelijk is om nog nauwkeurigere metingen van atomaire spins te verkrijgen, een nieuwe weg openen naar de ontwikkeling van veel gevoeligere instrumenten en de detectie van signalen mogelijk maken, zoals zwaartekrachtgolven of hersenactiviteit, met ongekende nauwkeurigheid.