Kvantsystem som består av flera partiklar kan användas för att mäta magnetiska eller elektriska fält mer exakt. En ung fysiker vid universitetet i Basel har nu föreslagit ett nytt schema för sådana mätningar som använder en viss typ av korrelation mellan kvantpartiklar.

I kvantinformation, de fiktiva agenterna Alice och Bob används ofta för att illustrera komplexa kommunikationsuppgifter. I en sådan process, Alice kan använda intrasslade kvantpartiklar som fotoner för att överföra eller "teleportera" ett kvanttillstånd – okänt till och med för henne själv – till Bob, något som inte är genomförbart med traditionell kommunikation.

Dock, det har varit oklart om teamet Alice-Bob kan använda liknande kvanttillstånd för andra saker förutom kommunikation. En ung fysiker vid universitetet i Basel har nu visat hur speciella typer av kvanttillstånd kan användas för att utföra mätningar med högre precision än vad kvantfysiken vanligtvis skulle tillåta. Resultaten har publicerats i den vetenskapliga tidskriften Naturkommunikation .

Kvantstyrning på distans

Tillsammans med forskare i Storbritannien och Frankrike, Dr Matteo Fadel, som arbetar på fysikavdelningen vid universitetet i Basel, har funderat på hur högprecisionsmätuppgifter kan hanteras med hjälp av så kallad kvantstyrning.

Kvantstyrning beskriver det faktum att i vissa kvanttillstånd av system som består av två partiklar, en mätning på den första partikeln gör att man kan göra mer exakta förutsägelser om möjliga mätresultat på den andra partikeln än vad kvantmekaniken skulle tillåta om bara mätningen på den andra partikeln hade gjorts. Det är precis som om mätningen på den första partikeln hade "styrt" tillståndet för den andra.

Detta fenomen är också känt som EPR-paradoxen, uppkallad efter Albert Einstein, Boris Podolsky och Nathan Rosen, som beskrev den första gången 1935. Det anmärkningsvärda med den är att den fungerar även om partiklarna är långt ifrån varandra eftersom de är kvantmekaniskt intrasslade och kan känna varandra på avstånd. Detta är också vad som gör att Alice kan överföra sitt kvanttillstånd till Bob i kvantteleportering.

"För kvantstyrning, partiklarna måste vara intrasslade med varandra på ett mycket speciellt sätt, Fadel förklarar. "Vi var intresserade av att förstå om detta kunde användas för att göra bättre mätningar." Mätproceduren han föreslår består av att Alice utför en mätning på hennes partikel och överför resultatet till Bob.

Tack vare kvantstyrning, Bob kan sedan justera sin mätapparat så att mätfelet på hans partikel är mindre än det skulle ha varit utan Alices information. På det här sättet, Bob kan mäta, till exempel, magnetiska eller elektriska fält som verkar på hans partiklar med hög precision.

Systematisk studie av styrningsförstärkta mätningar

Studiet av Fadel och hans kollegor gör det nu möjligt att systematiskt studera och demonstrera användbarheten av kvantstyrning för metrologiska tillämpningar. "Idén till detta uppstod från ett experiment som vi redan gjorde 2018 i laboratoriet av professor Philipp Treutlein vid universitetet i Basel, säger Fadel.

"I det experimentet, vi kunde mäta kvantstyrning för första gången mellan två moln innehållande hundratals kalla atomer vardera. Efter det, vi frågade oss själva om det kunde vara möjligt att göra något användbart med det." I sitt arbete, Fadel har nu skapat en solid matematisk grund för att realisera verkliga mätapplikationer som använder kvantstyrning som en resurs.

"I några enkla fall, vi visste redan att det fanns ett samband mellan EPR-paradoxen och precisionsmätningar, " säger Treutlein. "Men nu har vi ett allmänt teoretiskt ramverk, utifrån vilka vi också kan utveckla nya strategier för kvantmetrologi." Forskare arbetar redan med att demonstrera Fadels idéer experimentellt. I framtiden detta kan resultera i nya kvantförstärkta mätanordningar.