En fotboll är inte en kvantpartikel. Det finns avgörande skillnader mellan de saker vi vet från vardagen och små kvantobjekt. Kvantfenomen är vanligtvis mycket ömtåliga. För att studera dem, man använder normalt bara ett litet antal partiklar, väl skyddad från miljön, vid lägsta möjliga temperatur.

Genom ett samarbete mellan universitetet i Wien, österrikiska vetenskapsakademin och TU Wien, dock, det har nu varit möjligt att mäta en het glaskula som består av cirka en miljard atomer med en aldrig tidigare skådad precision och kontrollera den på kvantnivå. Dess rörelse bromsades avsiktligt tills den antog grundtillståndet för lägsta möjliga energi. Mätmetoden nådde nästan den gräns som sattes av Heisenbergs osäkerhetsprincip - fysiken tillåter inte mer precision än så. Detta möjliggjordes genom att tillämpa speciella metoder från styrteknik till kvantsystem. Resultaten har nu publicerats i den vetenskapliga tidskriften Natur .

Perfekt precision är omöjlig

Mätningen påverkar det uppmätta objektet - detta är en av de mest grundläggande principerna för kvantteori. "Werner Heisenberg kom med ett känt tankeexperiment-det så kallade Heisenbergmikroskopet" förklarar fysikern Lorenzo Magrini, den första författaren till studien från universitetet i Wien. "Om du vill mäta objektets position mycket exakt under ett mikroskop, du måste använda ljus med kortast möjliga våglängd. Men kort våglängd betyder högre energi, så partikelns rörelse störs starkare. "Du kan helt enkelt inte exakt mäta platsen och rörelsestillståndet för en partikel samtidigt. Produkten av deras osäkerheter begränsas alltid av Plancks konstant-detta är den s.k. Heisenbergs osäkerhetsprincip, men det är möjligt att ta reda på hur nära man kan komma till denna gräns av naturen.

Prof. som består av ungefär en miljard partiklar - mycket små enligt våra vardagliga mått, men fortfarande mycket stor jämfört med objekt som vanligtvis studeras i kvantfysik.

Glaskulan kan hållas på plats med en laserstråle. Sfärens atomer värms upp av lasern, och sfärens inre temperatur stiger till flera hundra grader Celsius. Det betyder att atmosfärerna i glaskulan vinglar runt våldsamt. I experimentet, dock, det var inte de enskilda atomernas vinglande rörelser som studerades, men sfärens kollektiva rörelse i laserfällan. "Det här är två helt olika saker, precis som en pendels rörelse i en pendelklocka är något annorlunda än rörelsen hos de enskilda atomerna i pendeln, säger Markus Aspelmeyer.

Kvantkontrollteknik

Målet var att exakt styra glasrörets pendelrörelse på kvantnivå, även om glaskulan faktiskt är ett makroskopiskt föremål. Detta kan endast uppnås med ett perfekt utformat styrsystem, noggrant anpassad till experimentet. Denna uppgift togs av teamet av professor Andreas Kugi vid TU Wien.

"Styrteknik handlar om att påverka system på ett sådant sätt att de uppvisar ett önskat beteende oberoende av störningar och parameterfluktuationer, "säger Andreas Kugi." Det här kan vara en robotarm, till exempel, en produktionslinje i en fabrik, eller till och med temperaturen i en masugn. "Att tillämpa moderna metoder för styrteknik på kvantsystem öppnar nya möjligheter." Men man måste också möta utmaningar som inte finns inom klassisk systemteori och styrteknik, "förklarar Kugi." I klassisk styrteknik, mätningen har inget eller försumbart inflytande på systemet. Inom kvantfysik, dock, detta inflytande kan inte undvikas, av mycket grundläggande skäl. Vi måste därför också utveckla nya metoder för kontrollteknik. "

Detta var en succé:ljuset som spreds tillbaka av glaskulan upptäcktes så noggrant som möjligt, med en sofistikerad mikroskopiteknik. Genom att analysera det spridda ljuset, sfärens position bestämdes i realtid, och sedan justerades ett elektriskt fält kontinuerligt på ett sådant sätt att det permanent motverkade glaskretsens rörelse. På det här sättet, det var möjligt att bromsa hela sfären och sätta den i ett rörelsestillstånd som motsvarar det kvantfysiska jordtillståndet, dvs. tillståndet för minsta möjliga rörelseenergi - trots att det är ett relativt stort föremål vid höga temperaturer, vars atomer viftar kraftigt.

Lovande samarbete mellan fysik och styrteknik

"Du måste alltid överväga rumslig och kinetisk osäkerhet tillsammans. Sammantaget glaskulans kvantosäkerhet var bara 1,7 gånger Plancks handlingskvantum, "säger Lorenzo Magrini. Plancks konstant skulle vara den absoluta teoretiska nedre gränsen, aldrig tidigare har ett experiment kommit så nära den absoluta kvantgränsen med ett objekt av denna storlek. Den rörelseenergi som mättes i experimentet motsvarade en temperatur på bara 5 mikro-Kelvin, dvs 5 miljoner av en grad över den absoluta nollan. Rörelsen av glaskulan som helhet kan därför tilldelas en extremt låg temperatur även om atomerna som utgör sfären är mycket heta.

Denna framgång visar den stora potentialen i denna nya kombination av kvantfysik och kontrollteknik:båda forskargrupperna vill fortsätta arbeta i denna riktning och utnyttja kunskap från styrteknik för att möjliggöra ännu bättre och mer exakt kontrollerade kvantexperiment. Det finns många möjliga applikationer för detta, allt från kvantsensorer till teknik från området för kvantinformation.