Forskare vid Köpenhamns universitet har utvecklat ett praktiskt svar på en utmaning kopplad till Heisenbergs osäkerhetsprincip. Forskarna använde laserljus för att länka cesiumatomer och ett vibrerande membran. Forskningen, den första i sitt slag, pekar på sensorer som kan mäta rörelser med osynlig precision.

Vid mätning av atomstrukturer eller ljusutsläpp på kvantnivå med hjälp av avancerade mikroskop eller annan form av specialutrustning, saker är komplicerade på grund av ett problem som under 1920 -talet, hade Niels Bohr och Werner Heisenbergs fulla uppmärksamhet. Och detta problem, hantera felaktigheter som skadar vissa mätningar som utförs på kvantnivå, beskrivs i Heisenbergs osäkerhetsprincip, som säger att kompletterande variabler av en partikel, såsom hastighet och position, kan aldrig bli känt samtidigt.

I en vetenskaplig rapport publicerad i veckans nummer av Natur , NBI -forskare visar att Heisenbergs osäkerhetsprincip kan neutraliseras till viss del. Detta har aldrig visats tidigare, och resultaten kan leda till utveckling av ny mätutrustning, och nya och bättre sensorer.

Professor Eugene Polzik, chef för Quantum Optics (QUANTOP) vid Niels Bohr Institute, ledde forskningen, som involverade konstruktionen av ett vibrerande membran och ett avancerat atommoln som var inlåst i en glasbur.

Lätt "sparkar" objekt

Osäkerhetsprincipen framträder i observationer utförda via ett mikroskop som arbetar med laserljus, vilket oundvikligen kommer att leda till att objektet sparkas av fotoner. Som ett resultat av dessa sparkar, objektet börjar röra sig på ett slumpmässigt sätt. Detta fenomen är känt som quantum back action (QBA), och dessa slumpmässiga rörelser sätter en gräns för den noggrannhet med vilken mätningar kan utföras på kvantnivå. För att genomföra experimenten på NBI, Professor Polzik och hans medarbetare använde ett skräddarsytt membran som objekt observerat på kvantnivå.

Under de senaste decennierna har forskare har försökt hitta sätt att "lura" Heisenbergs osäkerhetsprincip. Eugene Polzik och hans kollegor kom på idén att implementera det avancerade atommolnet för några år sedan. Den består av 100 miljoner cesiumatomer inlåsta i en hermetiskt sluten glascell, förklarar professorn:

"Cellen är bara en centimeter lång, 1/3 millimeter hög och 1/3 millimeter bred, och för att få atomerna att fungera som avsett, de inre cellväggarna har belagts med paraffin. Membranet, vars rörelser vi observerade på kvantnivå, mäter 0,5 millimeter, som faktiskt är en avsevärd storlek ur ett kvantperspektiv. "

Tanken bakom glascellen är att medvetet skicka laserljuset som används för att studera membranrörelserna genom det inkapslade atommolnet innan ljuset når membranet, förklarar Eugene Polzik:"Detta resulterar i att laserljusfotonerna" sparkar "föremålet-dvs membranet-liksom atommolnet, och dessa 'sparkar, ' så att säga, avboka. Det betyder att det inte längre finns någon kvantbackåtgärd - och därför inga begränsningar för hur exakt mätningar kan utföras på kvantnivå. "

Hur kan detta utnyttjas?

"Till exempel, när man utvecklar nya och mycket mer avancerade typer av sensorer för analyser av rörelser, ", säger professor Eugene Polzik. "Generellt, sensorer som arbetar på kvantnivå får mycket uppmärksamhet nuförtiden. Ett exempel är Quantum Technologies Flagship, ett omfattande EU -program som också stöder denna typ av forskning. "

Det faktum att det är, verkligen, möjligt att "lura" Heisenbergs osäkerhetsprincip kan också visa sig betydelsefull i förhållande till bättre förståelse av gravitationella vågor - vågor i rymden som rör sig med ljusets hastighet. I september 2015, det amerikanska LIGO -experimentet publicerade de första direkta registreringarna och mätningarna av gravitationella vågor som härrör från en kollision mellan två mycket stora svarta hål. Dock, utrustningen som används av LIGO påverkas av kvantbaksida, och den nya forskningen från NBI kan visa sig kunna eliminera det problemet, säger Polzik.