I århundraden, människor har utökat sin förståelse för världen genom mer och mer exakt mätning av ljus och materia. I dag, kvantsensorer uppnår extremt exakta resultat. Ett exempel på detta är utvecklingen av atomur, som förväntas varken vinna eller förlora mer än en sekund på trettio miljarder år. Gravitationsvågor detekterades också via kvantsensorer, i detta fall med hjälp av optiska interferometrar.

Kvantsensorer kan nå känsligheter som är omöjliga enligt lagarna i konventionell fysik som styr vardagen. Dessa känslighetsnivåer kan bara uppnås om man går in i kvantmekanikens värld med dess fascinerande egenskaper - till exempel fenomenet superposition, där objekt kan vara på två ställen samtidigt och där en atom kan ha två olika energinivåer samtidigt.

Både att generera och kontrollera sådana icke-klassiska tillstånd är extremt komplext. På grund av den höga känslighetsnivån som krävs, dessa mätningar är utsatta för yttre störningar. Vidare, icke-klassiska tillstånd måste anpassas till en specifik mätparameter. "Tyvärr, detta resulterar ofta i ökad felaktighet beträffande andra relevanta mätparametrar ", säger Fabian Wolf, beskriver utmaningen. Detta koncept är nära kopplat till Heisenbergs osäkerhetsprincip. Wolf ingår i ett team av forskare från Leibniz University Hannover, Physikalisch-Technische Bundesanstalt i Braunschweig, och National Institute of Optics i Florens. Teamet introducerade en metod baserad på ett icke-klassiskt tillstånd anpassat till två mätparametrar samtidigt.

Experimentet kan visualiseras som den kvantmekaniska versionen av en enkel pendel. I detta fall, de anpassade mätparametrarna är pendelns maximala förskjutning (amplitud) och antalet oscillationer per sekund (frekvens). Pendeln består av en enda magnesiumjon inbäddad i en "jonfälla". Via laserljusinteraktioner, forskare kunde kyla magnesiumjonen till grundtillståndet i ett kvantmekaniskt system, det kallaste tillståndet. Därifrån, de genererade ett "Fock -tillstånd" för rörelsen och oscillerade den enkla atompendeln med hjälp av en yttre kraft. Detta gjorde det möjligt för dem att mäta amplitud och frekvens med en känslighet oöverträffad av en konventionell pendel. Till skillnad från tidigare experiment, detta var fallet för båda mätparametrarna utan att behöva justera det icke-klassiska tillståndet.

Med denna nya metod, laget minskade mättiden med hälften medan upplösningen förblev konstant eller fördubblade upplösningen med en konstant mättid. Hög upplösning är särskilt viktig för spektroskopitekniker baserade på att ändra rörelsestatus. I detta specifika fall, forskare tänker analysera enskilda molekyljoner via laserbestrålning för att stimulera molekylär rörelse. Det nya förfarandet gör det möjligt för dem att analysera molekylens tillstånd innan den störs av för intensiv laserbestrålning. "Till exempel, precisionsmätningar av molekyler kan avslöja interaktioner mellan konventionell och mörk materia, vilket skulle vara ett stort bidrag till att lösa ett av de största mysterierna i samtida fysik ", säger Fabian Wolf. Mätkonceptet, som forskare visade för första gången, kan också förbättra upplösningen i optiska interferometrar som gravitationsvågdetektorer-vilket ger mer djupgående insikter om universums gryning.