Onderzoekers van het Schliesser Lab van het Niels Bohr Instituut, Universiteit van Kopenhagen, hebben de precisie van kracht- en positiemetingen in een nieuw regime geduwd. Hun experiment is het eerste dat de zogenaamde "Standard Quantum Limit, " of SQL, die ontstaat in de meest voorkomende (en succesvolle) optische technieken voor ultraprecieze positiemetingen. Al meer dan 50 jaar, experimentatoren hebben geracet om de SQL te verslaan met behulp van een verscheidenheid aan technieken, maar tevergeefs. In hun recente werk de onderzoekers van het Niels Bohr Instituut hebben het voor elkaar gekregen met een simpele aanpassing van de standaardaanpak, die de noodzakelijke opheffing van kwantumruis in de meting mogelijk maakt. Het resultaat en het onderliggende experiment hebben mogelijke implicaties voor astronomietechnieken voor zwaartekrachtgolven, evenals krachtmicroscopie met biologische toepassingen. Het werk is nu gepubliceerd in het prestigieuze wetenschappelijke tijdschrift, Natuurfysica .

Het probleem met kwantumruis

Kwantumacties hebben kwantumgevolgen. In het kader van metingen, dit betekent vaak dat alleen al het meten van een kwantumsysteem het verstoort. Dit effect wordt 'backaction, " en is een gevolg van fundamentele kwantumonzekerheden, voor het eerst bedacht door Werner Heisenberg tijdens zijn verblijf aan Niels Bohr's Copenhagen Institute in de jaren 1920. In veel gevallen, dit stelt een grens aan hoe nauwkeurig een meting kan worden.

Zwaartekrachtsgolftelescopen zoals LIGO, de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, wiens ontdekkingen werden bekroond met de Nobelprijs voor Natuurkunde 2017, kaats laserlicht van een spiegel om zijn positie te meten, in een optische configuratie die bekend staat als een interferometer. De "onnauwkeurigheid" van deze meting kan worden verbeterd door het laservermogen te vergroten, maar uiteindelijk zullen de willekeurige trappen van de laserfotonen de spiegelpositie verstoren, wat leidt tot een minder gevoelige meting die vage of verre astronomische objecten onopgemerkt laat. Door de onnauwkeurige ruis en backaction optimaal in balans te houden, men kan een minimale hoeveelheid extra ruis bereiken, vaststelling van de "Standard Quantum Limit' (SQL). Dit minimale ruisniveau zorgt voor de best mogelijke precisie voor elke conventionele interferometer.

Om deze limiet te omzeilen, men moet de interferometer op de een of andere manier aanpassen om deze kwantumruisbronnen te vermijden. In de 50 jaar sinds de SQL werd opgericht, verschillende voorstellen zijn gedaan, en de afgelopen jaren hebben verschillende experimentele demonstraties van het principe van bewijs geleverd. Tot dusver, geen enkel experiment heeft de positie van een object daadwerkelijk gemeten met een precisie die de SQL verslaat. Maar dit is precies wat het team van Kopenhagen heeft bereikt, dankzij geavanceerde optische en nanomechanische technieken.

Beter dan de gouden standaard

"De SQL is een soort gouden standaard voor de kwaliteit van een meting. Het is niets dat fundamenteel niet kan worden overwonnen, maar wat kracht- en positiemetingen betreft, het bleek erg moeilijk te zijn. Zelfs LIGO is er nog niet. Maar met ons systeem dachten we dat we een kans moesten maken, " legt prof. Schliesser uit, die het team leidde. Dit systeem is een experimenteel platform dat de afgelopen jaren in de groep van Schliesser is ontwikkeld. Net als LIGO, het gebruikt een laser-aangedreven interferometer om een ​​positie te meten, in dit geval die van een membraan gemaakt van het keramische siliciumnitride. Hoewel erg dun (20 nanometer), het membraan is enkele millimeters breed en goed zichtbaar met het blote oog. De 'truc' die de onderzoekers gebruiken om voorbij de SQL te gaan, is een speciale meting van het licht dat door het membraan wordt weerkaatst. In deze configuratie, de detector is in staat om tegelijkertijd zowel de onnauwkeurigheid als de terugwerking te meten, zodat deze ruisbronnen elkaar opheffen. Met andere woorden, wat overblijft is een "schone" meting.

30 procent verbetering is zeer goed nieuws voor praktische toepassingen

"Toen we eenmaal wisten dat we heel dicht bij de SQL konden komen, de wijzigingen die nodig waren om het te verslaan waren eigenlijk vrij eenvoudig, " legt Dr. David Mason uit, een Amerikaanse postdoc in Kopenhagen, en hoofdauteur van de studie. "We gebruiken kwantumeffecten die ontstaan ​​in de meetopstelling zelf, dus de extra technologische inspanning is eigenlijk beperkt. Dat is goed nieuws voor mogelijke praktische toepassingen." Met behulp van deze techniek, de groep bij NBI was in staat om de positie van hun membraan te meten met een precisie die bijna 30 procent beter is dan wat de SQL zou toestaan. Dit markeert een keerpunt voor kwantummetingen van mechanische objecten, benadrukken hoe ver de stand van de techniek is gevorderd, en suggereert een helder pad voor de boeg. Opto-mechanische systemen zoals het hier bestudeerde zijn klaar om te blijven helpen bij de ontwikkeling van technieken die verband houden met zwaartekrachtsgolfastronomie, terwijl ze hun extreme gevoeligheid ook in andere arena's toepassen. Apparaten van het Schliesser Lab worden al geïntegreerd in geavanceerde force-sensing-applicaties, waar ze mogelijk MRI-achtige beelden op nanometerschaal mogelijk maken, misschien beeldvorming van individuele HI- of influenzavirussen.