Onderzoekers van het Schliesser Lab van het Niels Bohr Instituut, Universiteit van Kopenhagen, hebben een nieuwe manier aangetoond om een ​​centraal probleem in de kwantumfysica aan te pakken:op de kwantumschaal, elke meting verstoort het gemeten object. Deze verstoring beperkt, bijvoorbeeld, de precisie waarmee de beweging van een object kan worden gevolgd. Maar in een millimeter groot membraan dat trilt als een drumvel, de onderzoekers zijn erin geslaagd om de beweging nauwkeurig te volgen met een laser - en de kwantumverstoring door de meting ongedaan te maken. Hierdoor kunnen ze de beweging van het membraan op kwantumniveau regelen. Het resultaat heeft potentiële toepassingen in ultraprecieze sensoren voor positie, snelheid en kracht, en de architectuur van een toekomstige kwantumcomputer. Het is nu gepubliceerd in het prestigieuze wetenschappelijke tijdschrift, Natuur .

Op kwantumniveau meten verstoort het gemeten object:om met een laserstraal de positie of snelheid van een object te bepalen, moet het met veel fotonen worden gebombardeerd. De fotonen zullen het bij elke impact schoppen, en het object zal dienovereenkomstig gaan bewegen. Als de fotonen willekeurig aankomen, dit resulteert in extra willekeurige beweging bovenop de originele bewegingen, verslechtering van het vermogen om de werkelijke bewegingstoestand te meten en te controleren. Als de laserintensiteit wordt verlaagd, om dergelijke "backaction" van metingen te verminderen, de signaal-ruisverhouding in de detector daalt en de meting wordt weer onnauwkeurig. "Er is een sterke meting nodig, ook al resulteert dit in kwantumbackaction. Het enige wat we moeten doen is de kwantumbackaction meten en ongedaan maken. En dat is eigenlijk waar we in zijn geslaagd", Professor Albert Schliesser legt uit.

Het experiment

"Onze experimenten bieden ons echt een unieke kans:onze gegevens laten heel duidelijk kwantumeffecten zien, zoals kwantumbackaction, bij het meten van mechanische beweging. Dus we kunnen in onze laboratoria testen of slimme aanpassingen aan het meetapparaat de precisie kunnen verbeteren - met behulp van trucs die in de afgelopen decennia alleen konden worden getheoretiseerd, " hij gaat door.

Het experimentele systeem is een ca. Membraan van 3x3 mm gemaakt van keramisch siliciumnitride (afb. 1). Het staat onder hoge spanning en trilt wanneer het wordt aangeslagen, net als een drumvel. Een speciaal gatenpatroon, uitgevonden in het laboratorium van Schliesser, isoleert deze trillingen buitengewoon goed:zodra het trilt, het ondergaat een miljard oscillatiecycli voordat het een aanzienlijk deel van zijn energie aan zijn omgeving verliest. (Voor een normale trommel, dat aantal zou ongeveer honderd zijn.) Een bijkomend voordeel van siliciumnitride is dat het geen van het laserlicht absorbeert dat wordt gebruikt om zijn beweging te ondervragen, zodat het membraan niet opwarmt, wat weer zou leiden tot een ongecontroleerde beweging van het membraan.

De bewegingsquantumtoestand regelen met actieve ruisonderdrukking

Exclusief externe verstoringen door zo'n extreme isolatie, de wetenschappers kunnen zich concentreren op de kwantumeffecten van de meting. Met behulp van een zeer stabiele laser, ze kunnen inderdaad de beweging meten, inclusief meting backaction, tot op het kwantumniveau. "Het opmerkelijke is dat we dan dit meetrecord kunnen nemen, haal het door wat elektronica, en oefen een tegenkracht uit op het membraan, om de willekeurige effecten van kwantumbackaction ongedaan te maken. Het werkt in feite als een set ruisonderdrukkende hoofdtelefoons, alleen in het kwantumregime, " legt promovendus Massimiliano Rossi uit, een van de hoofdauteurs van het onderzoek. Op deze manier, de wetenschappers konden de beweging van het membraan deterministisch voorbereiden in een pure kwantumtoestand - een objectieve natuurkundigen uit een reeks gemeenschappen die de afgelopen 20 jaar hebben nagestreefd.

De reden ligt in de veelzijdigheid van dergelijke kwantumcontroletechnieken wanneer ze worden toegepast op beweging. De LIGO-interferometers zijn daar een voorbeeld van. Ze meten zwaartekrachtgolven, uitgestoten b.v. door zwarte gaten op miljarden lichtjaren afstand samen te voegen, door de beweging van grote spiegels op aarde te volgen. Om deze extreem zwakke signalen te herstellen, ze moeten de gevoeligheid zo extreem opdrijven dat de kwantumlimieten van bewegingsmetingen in het spel komen. Anderzijds, het beheersen van de kwantumtoestand van mechanische systemen kan van pas komen voor speciale componenten van een kwantumcomputer. Een geheugenelement, bijvoorbeeld, zou profiteren van de lange levensduur van mechanische excitaties. uiteindelijk, kwantumgestuurde trillingen zijn ook interessant vanuit een fundamenteel oogpunt:aangezien trillingen impliceert dat massa beweegt, welke rol speelt zwaartekracht? Hoe beïnvloedt het de kwantumtoestand van beweging? De geaccepteerde theorieën van vandaag, laat staan ​​experimenten, op deze vragen nog geen duidelijk antwoord kunnen geven.