Forskare vid Schliesser Lab vid Niels Bohr Institute, Köpenhamns universitet, har drivit precisionen i kraft- och positionsmätningar till en ny regim. Deras experiment är det första som överträffar den så kallade "Standard Quantum Limit, " eller SQL, som uppstår i de vanligaste (och framgångsrika) optiska teknikerna för ultraprecisa positionsmätningar. I mer än 50 år har experimentister har tävlat för att slå SQL med hjälp av en mängd olika tekniker, men till ingen nytta. I deras senaste arbete, forskarna vid Niels Bohr Institute har gjort susen med en enkel modifiering av standardmetoden, vilket möjliggör nödvändig avbrytning av kvantbrus i mätningen. Resultatet och det underliggande experimentet har potentiella implikationer för gravitationsvågsastronomiska tekniker, samt kraftmikroskopi med biologiska tillämpningar. Verket publiceras nu i den prestigefyllda vetenskapliga tidskriften, Naturfysik .

Problemet med kvantbrus

Kvantaktioner har kvantkonsekvenser. I samband med mätningar, detta betyder ofta att själva mätningen av ett kvantsystem stör det. Denna effekt kallas "backaction, "och är en följd av grundläggande kvantosäkerhet, först tänkt av Werner Heisenberg under sin vistelse på Niels Bohrs Copenhagen Institute på 1920 -talet. I många fall, detta sätter en gräns för hur exakt en mätning kan bli.

Gravitationsvågteleskop som LIGO, laserinterferometern Gravitational-Wave Observatory, vars upptäckter belönades med 2017 års Nobelpris för fysik, studsa laserljus från en spegel för att mäta dess position, i en optisk konfiguration som kallas en interferometer. "Oprecisionen" i denna mätning kan förbättras genom att öka lasereffekten, men så småningom kommer laserfotonernas slumpmässiga sparkar att störa spegelns position, vilket leder till en mindre känslig mätning som lämnar svaga eller avlägsna astronomiska föremål oupptäckta. Genom att optimalt balansera oprecisionsljudet och bakåtverkan, man kan nå en minimal mängd extra ljud, fastställande av "Standard Quantum Limit" (SQL). Denna lägsta ljudnivå sätter bästa möjliga precision med alla konventionella interferometrar.

För att komma runt denna gräns, man måste modifiera interferometern på något sätt för att undvika dessa kvantbruskällor. Under de 50 år sedan SQL upprättades, olika förslag har lagts fram, och de senaste åren har medfört flera bevis-av-princip-experimentella demonstrationer. Än så länge, inget experiment har faktiskt mätt positionen för ett objekt med en precision som slår SQL. Men detta är precis vad Köpenhamnsteamet har åstadkommit, tack vare avancerad optisk och nanomekanisk teknik.

Bättre än guldstandarden

"SQL är något av en guldstandard för kvaliteten på en mätning. Det är inget som i grunden inte kan övervinnas, men vad gäller kraft- och positionsmätningar, det visade sig vara väldigt svårt. Inte ens LIGO är där än. Men med vårt system trodde vi att vi borde ha en chans, " förklarar prof. Schliesser, som ledde laget. Detta system är en experimentell plattform som utvecklats i Schliessers grupp under de senaste åren. Precis som LIGO, den använder en laserdriven interferometer för att mäta en position, i detta fall ett membran tillverkat av den keramiska kiselnitriden. Även om den är mycket tunn (20 nanometer), membranet är flera millimeter brett och lätt synligt med blotta ögat. Det "trick" som forskarna använder för att gå utöver SQL innebär att man gör en speciell mätning av ljuset som reflekteras från membranet. I den här konfigurationen, detektorn kan samtidigt mäta både oprecisionen och återaktionen på ett sätt som låter dessa bullerkällor avbryta varandra. Med andra ord, det som återstår är en "ren" mätning.

30 procent förbättring är mycket goda nyheter för praktiska tillämpningar

"När vi väl visste att vi kunde komma väldigt nära SQL, ändringarna som krävdes för att slå det var faktiskt ganska enkla, " förklarar Dr. David Mason, en amerikansk postdoc i Köpenhamn, och huvudförfattare till studien. "Vi använder kvanteffekter som uppstår i själva mätinställningen, så den extra tekniska ansträngningen är faktiskt begränsad. Det är goda nyheter för potentiella praktiska tillämpningar." Genom att använda denna teknik, gruppen på NBI kunde mäta sitt membrans position med en precision på nästan 30 procent bättre än vad SQL skulle tillåta. Detta markerar en vattendelare för kvantmätningar av mekaniska objekt, belyser hur långt den senaste tekniken har kommit, och föreslår en ljus väg framåt. Opto-mekaniska system som det som studeras här kommer att fortsätta att hjälpa utvecklingen av tekniker relaterade till gravitationsvågastronomi, samtidigt som de tillämpar sin extrema känslighet på andra arenor. Enheter från Schliesser Lab integreras redan i toppmoderna kraftavkännande applikationer, där de kan aktivera MRI-liknande bilder i en nanometer skala, kanske avbildning av enskilda HI- eller influensavirus.