Wetenschappers van de Universiteit van Kopenhagen hebben een praktisch antwoord ontwikkeld op een uitdaging die verband houdt met het onzekerheidsprincipe van Heisenberg. De onderzoekers gebruikten laserlicht om cesiumatomen aan een trillend membraan te koppelen. Het onderzoek, de eerste in zijn soort, wijst naar sensoren die beweging met ongeziene precisie kunnen meten.

Bij het meten van atoomstructuren of lichtemissies op kwantumniveau door middel van geavanceerde microscopen of andere vormen van speciale apparatuur, dingen zijn ingewikkeld vanwege een probleem dat, tijdens de jaren 1920, had de volle aandacht van Niels Bohr en Werner Heisenberg. En dit probleem, omgaan met onnauwkeurigheden die bepaalde metingen op kwantumniveau aantasten, wordt beschreven in het onzekerheidsprincipe van Heisenberg, die stelt dat complementaire variabelen van een deeltje, zoals snelheid en positie, kunnen nooit tegelijkertijd gekend zijn.

In een wetenschappelijk rapport gepubliceerd in het nummer van deze week van Natuur , NBI-onderzoekers tonen aan dat het onzekerheidsprincipe van Heisenberg tot op zekere hoogte kan worden geneutraliseerd. Dit is nog nooit eerder vertoond, en de resultaten kunnen leiden tot de ontwikkeling van nieuwe meetapparatuur, en nieuwe en betere sensoren.

Professor Eugene Polzik, hoofd van de Quantum Optics (QUANTOP) aan het Niels Bohr Instituut, leidde het onderzoek, die de constructie van een trillend membraan en een geavanceerde atomaire wolk omvatte, opgesloten in een minuscule glazen kooi.

Licht 'schopt' object

Het onzekerheidsprincipe komt naar voren in waarnemingen die worden uitgevoerd via een microscoop die werkt met laserlicht, wat er onvermijdelijk toe zal leiden dat het object wordt geschopt door fotonen. Als gevolg van die schoppen, het object begint op een willekeurige manier te bewegen. Dit fenomeen staat bekend als Quantum Back Action (QBA), en deze willekeurige bewegingen stellen een grens aan de nauwkeurigheid waarmee metingen op kwantumniveau kunnen worden uitgevoerd. Om de experimenten bij NBI uit te voeren, professor Polzik en zijn medewerkers gebruikten een op maat gemaakt membraan als het object dat op kwantumniveau werd waargenomen.

In de afgelopen decennia, wetenschappers hebben geprobeerd manieren te vinden om het onzekerheidsprincipe van Heisenberg voor de gek te houden. Eugene Polzik en zijn collega's kwamen een paar jaar geleden op het idee om de geavanceerde atoomwolk te implementeren. Het bestaat uit 100 miljoen cesiumatomen opgesloten in een hermetisch gesloten glazen cel, legt de professor uit:

"De cel is slechts één centimeter lang, 1/3 millimeter hoog en 1/3 millimeter breed, en om de atomen te laten werken zoals bedoeld, de binnenste celwanden zijn bedekt met paraffine. het membraan, wiens bewegingen we op kwantumniveau hebben waargenomen, meet 0,5 millimeter, wat eigenlijk een aanzienlijke omvang is vanuit een kwantumperspectief."

Het idee achter de glazen cel is om het laserlicht dat wordt gebruikt om de membraanbewegingen te bestuderen opzettelijk door de ingekapselde atoomwolk te sturen voordat het licht het membraan bereikt, legt Eugene Polzik uit:"Dit resulteert erin dat de laserlicht-fotonen het object - d.w.z. het membraan - en de atomaire wolk 'schoppen', en deze 'schoppen, ' bij wijze van spreken, opzeggen. Dit betekent dat er geen kwantumback-actie meer is - en dus geen beperkingen voor hoe nauwkeurig metingen op kwantumniveau kunnen worden uitgevoerd."

Hoe kan hier gebruik van worden gemaakt?

"Bijvoorbeeld, bij de ontwikkeling van nieuwe en veel geavanceerdere typen sensoren voor analyses van bewegingen, ", zegt professor Eugene Polzik. "In het algemeen, sensoren die op kwantumniveau werken, krijgen tegenwoordig veel aandacht. Een voorbeeld is het vlaggenschip Quantum Technologies, een uitgebreid EU-programma dat ook dit soort onderzoek ondersteunt."

Het feit dat het, inderdaad, Het is mogelijk om het onzekerheidsprincipe van Heisenberg voor de gek te houden. Dit kan ook van belang zijn voor een beter begrip van zwaartekrachtsgolven – golven in de ruimte die zich met de snelheid van het licht voortbewegen. In september 2015 het Amerikaanse LIGO-experiment publiceerde de eerste directe registraties en metingen van zwaartekrachtsgolven afkomstig van een botsing tussen twee zeer grote zwarte gaten. Echter, de apparatuur die door LIGO wordt gebruikt, wordt beïnvloed door kwantumback-actie, en het nieuwe onderzoek van NBI kan in staat zijn om dat probleem op te lossen, zegt Polzik.