Natuurkundigen van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben het fenomeen van "kwantumknijpen" aangewend om biljoensten van een meter bewegingen van een eenzaam gevangen magnesiumion (elektrisch geladen atoom) te versterken en te meten.

Beschreven in het nummer van 21 juni van: Wetenschap , NIST's snelle, omkeerbare knijpmethode zou de detectie van extreem zwakke elektrische velden in oppervlaktewetenschappelijke toepassingen kunnen verbeteren, bijvoorbeeld, of detecteren absorptie van zeer kleine hoeveelheden licht in apparaten zoals atoomklokken. De techniek zou ook operaties in een kwantumcomputer kunnen versnellen.

"Door knijpen te gebruiken, we kunnen met een grotere gevoeligheid meten dan zou kunnen worden bereikt zonder kwantumeffecten, " zei hoofdauteur Shaun Burd.

"We demonstreren een van de hoogste niveaus van kwantumknijpen ooit gerapporteerd en gebruiken het om kleine mechanische bewegingen te versterken, "NIST-natuurkundige Daniel Slichter zei. "We zijn 7,3 keer gevoeliger voor deze bewegingen dan mogelijk zou zijn zonder het gebruik van deze techniek."

Hoewel het uitpersen van een sinaasappel een sappige puinhoop kan maken, kwantumknijpen is een zeer nauwkeurig proces, die de meetonzekerheid van de ene plaats naar de andere verplaatst.

Stel je voor dat je een lange ballon vasthoudt, en de lucht erin staat voor onzekerheid. Quantum knijpen is als het knijpen van de ballon aan het ene uiteinde om lucht naar het andere uiteinde te duwen. U verplaatst onzekerheid van een plaats waar u nauwkeurigere metingen wilt, naar een andere plaats, waar je met minder precisie kunt leven, terwijl de totale onzekerheid van het systeem gelijk blijft.

In het geval van het magnesiumion, metingen van zijn beweging worden normaal gesproken beperkt door zogenaamde kwantumfluctuaties in de positie en het momentum van het ion, die de hele tijd voorkomen, zelfs als het ion de laagst mogelijke energie heeft. Knijpen manipuleert deze fluctuaties, bijvoorbeeld door onzekerheid van de positie naar het momentum te duwen wanneer een verbeterde positiegevoeligheid gewenst is.

In de methode van NIST, een enkel ion wordt vastgehouden in de ruimte 30 micrometer (miljoensten van een meter) boven een platte saffierchip bedekt met gouden elektroden die worden gebruikt om het ion op te vangen en te regelen. Laser- en microgolfpulsen worden toegepast om de elektronen en beweging van het ion tot hun laagste energietoestand te brengen. De beweging wordt vervolgens geperst door de spanning op bepaalde elektroden te wiebelen met tweemaal de natuurlijke frequentie van de heen-en-weerbeweging van het ion. Dit proces duurt slechts enkele microseconden.

Na het knijpen, een kleine, oscillerend elektrisch veld "testsignaal" wordt toegepast op het ion om het een klein beetje in de driedimensionale ruimte te laten bewegen. te versterken, deze extra beweging moet "in sync" zijn met het knijpen.

Eindelijk, de knijpstap wordt herhaald, maar nu met de elektrodespanningen die precies niet synchroon lopen met de originele knijpspanningen. Dit niet-gesynchroniseerde knijpen keert het aanvankelijke knijpen om; echter, tegelijkertijd versterkt het de kleine beweging veroorzaakt door het testsignaal. Wanneer deze stap is voltooid, de onzekerheid in de ionenbeweging is terug naar zijn oorspronkelijke waarde, maar de heen-en-weer beweging van het ion is groter dan wanneer het testsignaal was toegepast zonder een van de knijpstappen.

Om de resultaten te verkrijgen, een oscillerend magnetisch veld wordt toegepast om de beweging van het ion in kaart te brengen of te coderen in zijn elektronische "spin" -toestand, die vervolgens wordt gemeten door met een laser op het ion te schijnen en te kijken of het fluoresceert.

Met behulp van een testsignaal kunnen de NIST-onderzoekers meten hoeveel versterking hun techniek biedt. In een echte detectietoepassing, het testsignaal zou worden vervangen door het eigenlijke signaal dat moet worden versterkt en gemeten.

De NIST-methode kan ionenbewegingen van slechts 50 picometer (biljoensten van een meter) versterken en snel meten. dat is ongeveer een tiende van de grootte van het kleinste atoom (waterstof) en ongeveer een honderdste van de niet-geperste kwantumfluctuaties. Zelfs kleinere bewegingen kunnen worden gemeten door het experiment vaker te herhalen en de resultaten te middelen. Met de op knijpen gebaseerde versterkingstechniek kunnen bewegingen van een bepaalde grootte worden gedetecteerd met 53 keer minder metingen dan anders nodig zou zijn.

Knijpen is eerder bereikt in een verscheidenheid aan fysieke systemen, inclusief ionen, maar het NIST-resultaat vertegenwoordigt een van de grootste op knijpen gebaseerde detectieverbeteringen die ooit zijn gemeld.

De nieuwe knijpmethode van NIST kan de meetgevoeligheid in kwantumsensoren verhogen en kan worden gebruikt om sneller verstrengeling te creëren, die eigenschappen van kwantumdeeltjes met elkaar verbindt, waardoor kwantumsimulatie en kwantumcomputeractiviteiten worden versneld. De methoden kunnen ook worden gebruikt om exotische bewegingstoestanden te genereren. De amplificatiemethode is toepasbaar op vele andere trillende mechanische objecten en andere geladen deeltjes zoals elektronen.