Een team van wetenschappers, geleid door de Universiteit van Bristol, hebben een nieuwe methode ontdekt waarmee kwantumsensoren met ultrahoge precisie kunnen worden gebouwd.

Wanneer individuele atomen licht uitstralen, ze doen dit in discrete pakketten die fotonen worden genoemd.

Wanneer dit licht wordt gemeten, deze discrete of 'korrelige' aard leidt tot bijzonder lage schommelingen in de helderheid, omdat er nooit twee of meer fotonen tegelijkertijd worden uitgezonden.

Deze eigenschap is vooral nuttig bij het ontwikkelen van toekomstige kwantumtechnologieën, waar lage schommelingen essentieel zijn, en heeft geleid tot een toename van interesse in geconstrueerde systemen die zich gedragen als atomen wanneer ze licht uitstralen, maar waarvan de eigenschappen gemakkelijker kunnen worden aangepast.

Deze 'kunstmatige atomen' zoals ze worden genoemd, zijn meestal gemaakt van solide materialen, en zijn in feite veel grotere objecten, waarbij de aanwezigheid van trillingen onvermijdelijk is, en wordt meestal als schadelijk beschouwd.

Echter, een samenwerkend team, geleid door de Universiteit van Bristol, heeft nu vastgesteld dat deze natuurlijk voorkomende trillingen in kunstmatige atomen verrassend genoeg kunnen leiden tot een nog grotere onderdrukking van fluctuaties in helderheid dan die aanwezig zijn in natuurlijke atomaire systemen.

De auteurs, waaronder academici van de universiteiten van Sheffield en Manchester, laten zien dat deze lage fluctuaties kunnen worden gebruikt om kwantumsensoren te bouwen die inherent nauwkeuriger zijn dan die zonder trillingen mogelijk zijn.

Hun bevindingen worden vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Dr. Dara McCutcheon, hoofdonderzoeker van het onderzoek en docent Quantum Engineering van de School of Physics van de Universiteit van Bristol zei:"De implicaties van dit onderzoek zijn vrij verstrekkend.

"Meestal denkt men altijd aan de trillingen die aanwezig zijn in deze relatief grote kunstmatige atomen als schadelijk voor het licht dat ze uitstralen, zoals typisch de trillingen de energieniveaus verdringen, met de resulterende fluctuaties afgedrukt op de uitgezonden fotonen.

"Wat gebeurt hier echter, is dat bij lage temperaturen de vibrerende omgeving het systeem koelt - in zekere zin bevriest de energieniveaus, en op zijn beurt het onderdrukken van fluctuaties op de uitgezonden fotonen."

Dit werk wijst op een nieuwe visie op deze kunstmatige atomen, waarin hun vastestofaard daadwerkelijk goed wordt gebruikt om licht te produceren dat niet kan worden gemaakt met behulp van natuurlijke atomaire systemen.

Het opent ook de deur naar een nieuwe reeks toepassingen die kunstmatige atomen gebruiken voor quantum-enhanced sensing, variërend van kleinschalige magnetometrie die kan worden gebruikt om signalen in de hersenen te meten, helemaal tot aan grootschalige detectie van zwaartekrachtgolven die kosmische processen in het centrum van sterrenstelsels onthullen.