Wetenschappers hebben ontdekt dat een fysieke eigenschap die 'kwantumnegativiteit' wordt genoemd, kan worden gebruikt om alles nauwkeuriger te meten, van moleculaire afstanden tot zwaartekrachtsgolven.

De onderzoekers, van de Universiteit van Cambridge, Harvard en MIT, hebben aangetoond dat kwantumdeeltjes een onbeperkte hoeveelheid informatie kunnen bevatten over dingen waarmee ze interactie hebben gehad. De resultaten, gerapporteerd in het journaal Natuurcommunicatie , kunnen veel nauwkeurigere metingen mogelijk maken en nieuwe technologieën aandrijven, zoals supernauwkeurige microscopen en kwantumcomputers.

Metrologie is de wetenschap van schattingen en metingen. Als je jezelf vanmorgen hebt gewogen, je hebt metrologie gedaan. Net zoals verwacht wordt dat kwantumcomputing een revolutie teweeg zal brengen in de manier waarop ingewikkelde berekeningen worden uitgevoerd, kwantummetrologie, met behulp van het vreemde gedrag van subatomaire deeltjes, kan een revolutie teweegbrengen in de manier waarop we dingen meten.

We zijn gewend om te gaan met kansen die variëren van 0% (gebeurt nooit) tot 100% (gebeurt altijd). Om de resultaten van de kwantumwereld echter te verklaren, het concept van waarschijnlijkheid moet worden uitgebreid met een zogenaamde quasi-waarschijnlijkheid, die negatief kan zijn. Door deze quasi-waarschijnlijkheid kunnen kwantumconcepten zoals Einsteins 'spookachtige actie op afstand' en de dualiteit van golven en deeltjes worden uitgelegd in een intuïtieve wiskundige taal. Bijvoorbeeld, de kans dat een atoom zich op een bepaalde positie bevindt en met een bepaalde snelheid reist, kan een negatief getal zijn, zoals -5%.

Een experiment waarvan de verklaring negatieve waarschijnlijkheden vereist, zou 'kwantumnegativiteit' bezitten. De wetenschappers hebben nu aangetoond dat deze kwantumnegativiteit kan helpen om preciezere metingen te doen.

Alle metrologie heeft sondes nodig, dat kunnen eenvoudige weegschalen of thermometers zijn. In de modernste metrologie echter, de sondes zijn kwantumdeeltjes, die op subatomair niveau kan worden gecontroleerd. Deze kwantumdeeltjes zijn gemaakt om te interageren met het ding dat wordt gemeten. Vervolgens worden de deeltjes geanalyseerd door een detectieapparaat.

In theorie, hoe groter het aantal indringende deeltjes, hoe meer informatie beschikbaar zal zijn voor het detectieapparaat. Maar in de praktijk, er is een limiet op de snelheid waarmee detectieapparaten deeltjes kunnen analyseren. Hetzelfde geldt in het dagelijks leven:het opzetten van een zonnebril kan overtollig licht filteren en het zicht verbeteren. Maar er is een limiet aan hoeveel filtering ons zicht kan verbeteren - een zonnebril die te donker is, is schadelijk.

"We hebben tools van standaardinformatietheorie aangepast aan quasi-waarschijnlijkheden en aangetoond dat het filteren van kwantumdeeltjes de informatie van een miljoen deeltjes kan condenseren tot één, "Zei hoofdauteur Dr. David Arvidsson-Shukur van Cambridge's Cavendish Laboratory en Sarah Woodhead Fellow aan Girton College. "Dat betekent dat detectieapparaten kunnen werken met hun ideale instroomsnelheid terwijl ze informatie ontvangen die overeenkomt met veel hogere snelheden. Dit is verboden volgens de normale kansrekening, maar kwantumnegativiteit maakt het mogelijk."

Een experimentele groep aan de Universiteit van Toronto is al begonnen met het bouwen van technologie om deze nieuwe theoretische resultaten te gebruiken. Hun doel is om een ​​kwantumapparaat te maken dat laserlicht van één foton gebruikt om ongelooflijk nauwkeurige metingen van optische componenten te leveren. Dergelijke metingen zijn cruciaal voor het creëren van geavanceerde nieuwe technologieën, zoals fotonische kwantumcomputers.

"Onze ontdekking opent spannende nieuwe manieren om fundamentele kwantumfenomenen te gebruiken in toepassingen in de echte wereld, ', zei Arvidsson-Shukur.

Kwantummetrologie kan metingen van dingen verbeteren, waaronder afstanden, hoeken, temperaturen en magnetische velden. Deze nauwkeurigere metingen kunnen leiden tot betere en snellere technologieën, maar ook betere middelen om fundamentele fysica te onderzoeken en ons begrip van het universum te verbeteren. Bijvoorbeeld, veel technologieën zijn afhankelijk van de nauwkeurige uitlijning van componenten of het vermogen om kleine veranderingen in elektrische of magnetische velden waar te nemen. Hogere precisie bij het uitlijnen van spiegels kan nauwkeurigere microscopen of telescopen mogelijk maken, en betere manieren om het aardmagnetisch veld te meten, kunnen leiden tot betere navigatiehulpmiddelen.

Kwantummetrologie wordt momenteel gebruikt om de precisie van zwaartekrachtsgolfdetectie te verbeteren in het Nobelprijswinnende LIGO Hanford Observatorium. Maar voor de meeste toepassingen kwantummetrologie is te duur en onhaalbaar geweest met de huidige technologie. De nieuw gepubliceerde resultaten bieden een goedkopere manier om kwantummetrologie te doen.

"Wetenschappers zeggen vaak dat 'een gratis lunch niet bestaat', wat betekent dat je niets kunt winnen als je niet bereid bent de rekenprijs te betalen, " zei co-auteur Aleksander Lasek, een doctoraat kandidaat bij het Cavendish Laboratory. "Echter, in de kwantummetrologie kan deze prijs willekeurig laag worden gemaakt. Dat is zeer contra-intuïtief, en echt geweldig!"

Dr. Nicole Yunger Halpern, co-auteur en ITAMP Postdoctoral Fellow aan de Harvard University, zei:"Alledaagse vermenigvuldiging pendelt:zes keer zeven is gelijk aan zeven keer zes. Kwantumtheorie omvat vermenigvuldiging die niet pendelt. Het gebrek aan commutatie stelt ons in staat de metrologie te verbeteren met behulp van kwantumfysica.

"Kwantumfysica verbetert metrologie, berekening, cryptografie, en meer; maar rigoureus bewijzen dat het zo is, is moeilijk. We toonden aan dat de kwantumfysica ons in staat stelt meer informatie uit experimenten te halen dan met alleen de klassieke natuurkunde. De sleutel tot het bewijs is een kwantumversie van waarschijnlijkheden:wiskundige objecten die op waarschijnlijkheden lijken, maar negatieve en niet-reële waarden kunnen aannemen."