Forskargrupper vid Aalto -universitetet och universitetet i Jyväskylä har visat en ny mikrovågsmätningsmetod som går till kvantgränsen för mätning och slår den. Den nya metoden kan potentiellt användas till exempel vid kvantberäkning och mätning av gravitationella vågor. Resultaten publicerades i Fysiska granskningsbrev den 6.3.2017, en av de mest prestigefyllda fysiska tidskrifterna.

Enligt Heisenbergs osäkerhetsprincip inom kvantmekanik, en observatör kan inte samtidigt få korrekt information om både position och rörelsemängd för en partikel. Denna princip sätter en grundläggande gräns för alla mätningar. I kvantmekanik till och med ljus, eller mer allmänt elektromagnetiska vågor, kan representeras av partiklar, fotoner, och därmed är deras upptäckt föremål för osäkerhetsprincipen. Utan några osäkerheter, även de svagaste signalerna kunde mätas och mobiltelefonnätet skulle till exempel fungera var som helst i världen med en enda åtkomstpunkt.

För radio- och mikrovågor som används inom telekommunikation, mätosäkerheten beror på de tekniska bristerna. De utgör mycket allvarligare begränsningar för mätning av signaler än kvantgränsen. Dock, kvantgränsen för mikrovågsmätning har hittills uppnåtts med supraledande kretsar som används vid kvantberäkning. I tidigare relaterad forskning, Aalto- och Jyväskylä -grupper närmade sig det genom att kombinera mikrovågsresonatorer med vibrerande nanodrum.

Till kvantgränsen och bortom med nanodrums

Grupperna använder en ny teknik för att driva sina nanodrums för att realisera en mätning som till och med går över kvantgränsen. För partikeln skulle detta vara möjligt genom att endast mäta position eller momentum, och helt förkasta informationen om den andra egendomen. "För en ljusvåg, åtkomst till endast en del av vågen och kasserar informationen i den andra delen realiserar en analog mätning ", förklarar Caspar Ockeloen-Korppi, vem gjorde mätningen med hjälp av nanodrums.

Forskargrupperna har patenterat mätschemat. Professor Mika Sillanpää, som leder forskningen, lyfter fram de möjliga tillämpningsområdena:"Den kan användas för åtkomst till små signaler, till exempel vid kvantberäkning och kanske också vid mätning av gravitationella vågor."

Förutom Ockeloen-Korppi och Sillanpää, forskargruppen bestod av Juha-Matti Pirkkalainen, Erno Damskägg, Tero Heikkilä och Francesco Massel. Arbetet utfördes i Finlands Akademis centrum för spetskompetens om lågtemperaturkvantfenomen och -enheter, och det finansierades också delvis av Europeiska forskningsrådet.