Forskare vid Schliesser Lab vid Niels Bohr Institute, Köpenhamns universitet, har visat ett nytt sätt att ta itu med ett centralt problem inom kvantfysiken:på kvantskala, varje mätning stör det uppmätta objektet. Denna störning begränsar, till exempel, precisionen med vilken ett föremåls rörelse kan spåras. Men i ett millimeterstort membran som vibrerar som ett trumskinn, forskarna har lyckats noggrant övervaka rörelsen med en laser – och ångra kvantstörningen genom mätningen. Detta gör att de kan kontrollera membranets rörelse på kvantnivå. Resultatet har potentiella tillämpningar i ultraprecisa positionssensorer, hastighet och kraft, och arkitekturen för en framtida kvantdator. Den publiceras nu i den prestigefyllda vetenskapliga tidskriften, Natur .

På kvantnivå, Att göra mätningar stör det uppmätta objektet:att använda en laserstråle för att bestämma ett objekts position eller hastighet kräver att det bombarderas med många fotoner. Fotonerna kommer att sparka den med varje slag, och objektet börjar röra sig därefter. När fotonerna anländer slumpmässigt, detta resulterar i ytterligare slumpmässiga rörelser ovanpå de ursprungliga rörelserna, försämra förmågan att mäta och kontrollera det faktiska rörelsetillståndet. Om laserintensiteten sänks, för att minska sådan mätning "backaction", signal-brusförhållandet i detektorn går ner och mätningen blir oprecis – igen. "En stark mätning behövs, även om det resulterar i kvantbackaction. Allt vi behöver göra är att mäta och ångra kvanteffekten. Och det är i princip vad vi har lyckats med", Professor Albert Schliesser förklarar.

Experimentet

"Våra experiment erbjuder oss en alldeles unik möjlighet:våra data visar mycket tydligt kvanteffekter, som quantum backaction, vid mätning av mekanisk rörelse. Så vi kan testa i våra laboratorier om smarta modifieringar av mätapparaten kan förbättra precisionen – med hjälp av knep som under de senaste decennierna bara kunde teoretiseras, " han fortsätter.

Det experimentella systemet är ett ca. 3x3 mm membran tillverkat av den keramiska kiselnitriden (Fig 1). Den är under hög spänning och vibrerar när den träffas – precis som ett trumskinn. Ett speciellt hålmönster som uppfunnits i Schliessers labb isolerar dessa vibrationer extremt bra:när det väl vibrerar, den genomgår en miljard svängningscykler innan den förlorar en betydande del av sin energi till sin omgivning. (För en normal trumma, den siffran skulle vara ungefär hundra.) En ytterligare fördel med kiselnitrid är att den inte absorberar något av laserljuset som används för att kontrollera dess rörelse—så att membranet inte värms upp , vilket återigen skulle leda till någon okontrollerad rörelse av membranet.

Styr rörelsekvanttillståndet med aktiv brusreducering

Exklusive yttre störningar genom sådan extrem isolering, forskarna kan fokusera på kvanteffekter av mätningen. Med en mycket stabil laser, de kan verkligen mäta rörelsen, inklusive mätning backaction, ner till kvantnivån. "Det anmärkningsvärda är att vi sedan kan ta det här mätrekordet, kör den genom lite elektronik, och applicera en motverkande kraft på membranet, för att ångra de slumpmässiga effekterna av kvantbackaction. Det fungerar i princip som en uppsättning brusreducerande hörlurar, bara i kvantregimen, " förklarar doktorand Massimiliano Rossi, en av studiens huvudförfattare. På detta sätt, forskarna kunde deterministiskt förbereda membranets rörelse i ett rent kvanttillstånd – ett objektivt som fysiker från en rad samhällen har eftersträvat under de senaste 20 åren.

Anledningen ligger i mångsidigheten hos sådana kvantkontrolltekniker när de tillämpas på rörelse. LIGO-interferometrarna är ett exempel. De mäter gravitationsvågor, avges t.ex. genom att slå samman svarta hål miljarder ljusår bort, genom att övervaka stora speglars rörelse på jorden. För att återställa dessa extremt svaga signaler, de måste pressa känsligheten till en sådan extremitet att kvantgränserna för rörelsemätningar kommer in i bilden. Å andra sidan, att kontrollera kvanttillståndet hos mekaniska system kan vara till nytta för speciella komponenter i en kvantdator. Ett minneselement, till exempel, skulle dra nytta av den långa livslängden för mekaniska excitationer. I sista hand, kvantstyrda vibrationer är också intressanta ur en grundläggande synvinkel:eftersom vibrationer antyder att massa rör sig, vilken roll spelar gravitationen? Hur påverkar det kvanttillståndet av rörelse? Dagens accepterade teorier, än mindre experiment, har ännu inte levererat tydliga svar på dessa frågor.