Een voetbal is geen kwantumdeeltje. Er zijn cruciale verschillen tussen de dingen die we uit het dagelijks leven kennen en kleine kwantumobjecten. Kwantumverschijnselen zijn meestal erg kwetsbaar. Om ze te bestuderen, men gebruikt normaal gesproken slechts een klein aantal deeltjes, goed afgeschermd van de omgeving, bij de laagst mogelijke temperaturen.

Door een samenwerking tussen de Universiteit van Wenen, de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen en de TU Wien, echter, het is nu mogelijk geweest om een ​​hete glazen bol bestaande uit ongeveer een miljard atomen met ongekende precisie te meten en op kwantumniveau te controleren. Zijn beweging werd opzettelijk vertraagd totdat hij de grondtoestand met de laagst mogelijke energie aannam. De meetmethode bereikte bijna de limiet van het onzekerheidsprincipe van Heisenberg - de natuurkunde laat gewoon niet meer precisie toe. Dit werd mogelijk gemaakt door speciale methoden uit de regeltechniek toe te passen op kwantumsystemen. De resultaten zijn nu gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuur .

Perfecte precisie is onmogelijk

De meting beïnvloedt het gemeten object - dit is een van de meest fundamentele principes van de kwantumtheorie. "Werner Heisenberg bedacht een beroemd gedachte-experiment - de zogenaamde Heisenberg-microscoop", legt natuurkundige Lorenzo Magrini uit, de eerste auteur van de studie van de Universiteit van Wenen. "Als je de positie van een object heel precies wilt meten onder een microscoop, je moet licht met de kortst mogelijke golflengte gebruiken. Maar korte golflengte betekent hogere energie, dus de beweging van het deeltje wordt sterker verstoord." Je kunt gewoon niet tegelijkertijd de locatie en de bewegingstoestand van een deeltje nauwkeurig meten. Het product van hun onzekerheden wordt altijd beperkt door de constante van Planck - dit is de zogenaamde onzekerheidsprincipe van Heisenberg. het is mogelijk om erachter te komen hoe dicht men bij deze door de natuur gestelde grens kan komen.

Het team van prof. Markus Aspelmeyer aan de Universiteit van Wenen onderzoekt dit met behulp van een glazen bol met een diameter van minder dan 200 nanometer, bestaande uit ongeveer een miljard deeltjes - erg klein voor onze dagelijkse normen, maar nog steeds erg groot in vergelijking met objecten die gewoonlijk in de kwantumfysica worden bestudeerd.

De glazen bol kan met een laserstraal op zijn plaats worden gehouden. De atomen van de bol worden opgewarmd door de laser, en de interne temperatuur van de bol stijgt tot enkele honderden graden Celsius. Dit betekent dat de atomen van de glazen bol heftig heen en weer wiebelen. In het experiment, echter, het waren niet de wiebelende bewegingen van de individuele atomen die werden bestudeerd, maar de collectieve beweging van de bol in de laserval. "Dit zijn twee totaal verschillende dingen, net zoals de beweging van een slinger in een slingeruurwerk iets anders is dan de beweging van de individuele atomen in de slinger, ', zegt Markus Aspelmeyer.

Quantumbesturingstechnologie

Het doel was om de slingerbeweging van de glazen bol op kwantumniveau nauwkeurig te regelen, ook al is de glazen bol eigenlijk een macroscopisch object. Dit kan alleen worden bereikt met een perfect ontworpen controlesysteem, zorgvuldig aangepast aan het experiment. Deze taak werd op zich genomen door het team van prof.dr. Andreas Kugi van de TU Wien.

"Regeltechniek gaat over het zodanig beïnvloeden van systemen dat ze een gewenst gedrag vertonen, onafhankelijk van storingen en parameterschommelingen, " zegt Andreas Kugi. "Dit kan een robotarm zijn, bijvoorbeeld, een productielijn in een fabriek, of zelfs de temperatuur van een hoogoven." Het toepassen van moderne regeltechniek op kwantumsystemen opent nieuwe mogelijkheden. "Echter, men heeft ook te maken met uitdagingen die niet bestaan ​​in de klassieke systeemtheorie en regeltechniek, " legt Kugi uit. "In de klassieke regeltechniek, de meting heeft geen of een verwaarloosbare invloed op het systeem. In de kwantumfysica, echter, deze invloed is niet te vermijden, om zeer fundamentele redenen. We moeten daarom ook nieuwe regeltechnische methoden ontwikkelen."

Dit was een succes:het door de glazen bol terugverstrooide licht werd zo goed mogelijk gedetecteerd, met behulp van een geavanceerde microscopietechniek. Door het verstrooide licht te analyseren, de positie van de bol werd in realtime bepaald, en vervolgens werd continu een elektrisch veld zodanig aangepast dat het de beweging van de glazen bol permanent tegenwerkte. Op deze manier, het was mogelijk om de hele bol te vertragen en in een bewegingstoestand te brengen die overeenkomt met de kwantumfysische grondtoestand, d.w.z. de toestand van de kleinst mogelijke kinetische energie - ondanks het feit dat het een relatief groot object is bij hoge temperaturen, waarvan de atomen krachtig wiebelen.

Veelbelovende samenwerking tussen natuurkunde en regeltechniek

“Je moet ruimtelijke en kinetische onzekerheid altijd samen bekijken. de kwantumonzekerheid van de glazen bol was slechts 1,7 keer de actiekwantum van Planck, " zegt Lorenzo Magrini. De constante van Planck zou de absolute theoretische ondergrens zijn, nooit eerder kwam een ​​experiment met een object van deze omvang zo dicht bij de absolute kwantumlimiet. De in het experiment gemeten kinetische energie kwam overeen met een temperatuur van slechts 5 micro-Kelvin, d.w.z. 5 miljoenste van een graad boven het absolute nulpunt. De beweging van de glazen bol als geheel kan daarom een ​​extreem lage temperatuur krijgen, zelfs als de atomen waaruit de bol bestaat erg heet zijn.

Dit succes toont het grote potentieel van deze nieuwe combinatie van kwantumfysica en regeltechniek:beide onderzoeksgroepen willen in deze richting blijven werken en de knowhow uit de regeltechniek benutten om nog betere en nauwkeuriger gecontroleerde kwantumexperimenten mogelijk te maken. Hiervoor zijn vele toepassingen mogelijk, variërend van kwantumsensoren tot technologieën op het gebied van kwantuminformatie.