Quantumsystemen die uit meerdere deeltjes bestaan, kunnen worden gebruikt om magnetische of elektrische velden nauwkeuriger te meten. Een jonge natuurkundige aan de Universiteit van Basel heeft nu een nieuw schema voor dergelijke metingen voorgesteld dat gebruik maakt van een bepaald soort correlatie tussen kwantumdeeltjes.

In kwantuminformatie, de fictieve agenten Alice en Bob worden vaak gebruikt om complexe communicatietaken te illustreren. In een dergelijk proces, Alice kan verstrengelde kwantumdeeltjes zoals fotonen gebruiken om een ​​kwantumtoestand - zelfs voor haarzelf onbekend - naar Bob te verzenden of te 'teleporteren'. iets dat niet haalbaar is met traditionele communicatie.

Echter, het is onduidelijk of het team Alice-Bob vergelijkbare kwantumtoestanden kan gebruiken voor andere dingen dan communicatie. Een jonge natuurkundige aan de Universiteit van Basel heeft nu laten zien hoe bepaalde soorten kwantumtoestanden kunnen worden gebruikt om metingen uit te voeren met een hogere precisie dan de kwantumfysica normaal zou toestaan. De resultaten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurcommunicatie .

Quantumsturing op afstand

Samen met onderzoekers in Groot-Brittannië en Frankrijk, Dr. Matteo Fadel, die werkt bij de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Basel, heeft nagedacht over hoe zeer nauwkeurige meettaken kunnen worden aangepakt met behulp van zogenaamde kwantumsturing.

Kwantumsturing beschrijft het feit dat in bepaalde kwantumtoestanden van systemen die uit twee deeltjes bestaan, een meting op het eerste deeltje maakt het mogelijk om preciezere voorspellingen te doen over mogelijke meetresultaten op het tweede deeltje dan de kwantummechanica zou toelaten als alleen de meting aan het tweede deeltje was gedaan. Het is net alsof de meting op het eerste deeltje de toestand van het tweede deeltje "stuurde".

Dit fenomeen staat ook wel bekend als de EPR-paradox, vernoemd naar Albert Einstein, Boris Podolsky en Nathan Rosen, die het voor het eerst beschreef in 1935. Het opmerkelijke is dat het werkt, zelfs als de deeltjes ver uit elkaar staan, omdat ze kwantummechanisch verstrengeld zijn en elkaar op afstand kunnen voelen. Dit is ook wat Alice in staat stelt haar kwantumtoestand naar Bob door te geven in kwantumteleportatie.

"Voor kwantumsturing, de deeltjes moeten op een heel bijzondere manier met elkaar verstrengeld zijn, " legt Fadel uit. "We wilden weten of dit gebruikt kon worden om betere metingen te doen." De meetprocedure die hij voorstelt, bestaat erin dat Alice een meting uitvoert op haar deeltje en het resultaat naar Bob stuurt.

Dankzij kwantumsturing, Bob kan dan zijn meetapparaat zo instellen dat de meetfout op zijn deeltje kleiner is dan zonder de informatie van Alice. Op deze manier, Bob kan meten, bijvoorbeeld, magnetische of elektrische velden die met hoge precisie op zijn deeltjes inwerken.

Systematische studie van stuurbekrachtigde metingen

De studie van Fadel en zijn collega's maakt het nu mogelijk om het nut van kwantumsturing voor metrologische toepassingen systematisch te bestuderen en aan te tonen. "Het idee hiervoor is ontstaan ​​uit een experiment dat we in 2018 al deden in het laboratorium van professor Philipp Treutlein aan de Universiteit van Basel, ' zegt Fadel.

"Bij dat experiment we konden voor het eerst kwantumsturing meten tussen twee wolken die elk honderden koude atomen bevatten. Daarna, we vroegen ons af of we daar misschien iets nuttigs mee kunnen doen." Fadel heeft nu een solide wiskundige basis gecreëerd voor het realiseren van real-life meettoepassingen die kwantumsturing als hulpmiddel gebruiken.

"In enkele eenvoudige gevallen we wisten al dat er een verband was tussen de EPR-paradox en precisiemetingen, Treutlein zegt. Maar nu hebben we een algemeen theoretisch kader, op basis waarvan we ook nieuwe strategieën voor kwantummetrologie kunnen ontwikkelen.” Onderzoekers zijn al bezig om Fadels ideeën experimenteel te demonstreren. dit zou kunnen resulteren in nieuwe kwantumversterkte meetapparatuur.