Znanstveniki z uporabo hemisferičnega zrcala zmanjšali kvantni šum
Znanstveniki z Univerze Swansea v Walesu so na področju kvantne fizike dosegli pomemben napredek, saj so z uporabo hemisferičnega zrcala uspešno zmanjšali kvantni šum, ki ovira natančne meritve na submikronski ravni. Njihova raziskava, objavljena v reviji Physical Review Research, odpira vrata novim možnostim za razvoj ultraobčutljivih kvantnih senzorjev in naprednejših kvantnih eksperimentov.
Kvantni šum, ki ga povzročajo motnje pri meritvah submikronskih delcev, je ena največjih ovir v kvantni fiziki. Ko znanstveniki poskušajo izmeriti položaj delcev, kot so nanodelci, fotoni – delci svetlobe – ob stiku z njimi povzročijo t. i. “povratni učinek” (quantum backaction), ki spremeni stanje delca in zmanjša natančnost meritve. Raziskovalci so to težavo rešili z inovativnim pristopom, ki temelji na področju levitirane optomehanike. V tem procesu laserji v vakuumu zadržijo nanodelce, kar omogoča njihovo natančno manipulacijo.
Ključni element
Ključni element njihovega eksperimenta je hemisferično zrcalo, v središču katerega je bil nameščen nanodelec. Zrcalo odbija lasersko svetlobo tako, da ustvari stoječi val, ki deluje kot optična kletka. Pod določenimi pogoji se nanodelec in njegova zrcalna slika ujemata, kar prepreči pridobivanje informacij o položaju delca iz razpršene svetlobe. Posledica tega je izginotje povratnega učinka, kar znatno zmanjša kvantni šum. “Če ustvarite pogoje, kjer meritev postane nemogoča, motnje izginejo,” je pojasnil Rafal Gajewski, glavni avtor študije in doktorski študent na Univerzi Swansea.
Da bi kvantitativno potrdili uspešnost metode, je ekipa uporabila matematično orodje, imenovano Fisher Information Flow, ki meri, koliko informacij lahko detektor pridobi brez motenja sistema. Rezultati so pokazali, da njihova konfiguracija presega zmogljivosti običajnih metod in dosega t. i. Heisenbergovo mejo zaznavanja, ki predstavlja teoretično mejo natančnosti v kvantnih meritvah.
Povezava med informacijami in motnjami v kvantni mehaniki
Po mnenju Jamesa Batemana, nadzornika študije in predavatelja na Univerzi Swansea, raziskava razkriva temeljno povezavo med informacijami in motnjami v kvantni mehaniki. “To odpira nove možnosti za kvantne eksperimente in potencialno bolj občutljive meritve,” je dejal. Ugotovitve bi lahko imele daljnosežne posledice, vključno z razvojem senzorjev za zaznavanje izjemno majhnih sil in podporo ambicioznim projektom, kot je predlagana vesoljska misija MAQRO, ki preizkuša kvantne pojave pri večjih objektih.
Raziskava je že pritegnila pozornost znanstvene skupnosti. Kot poroča spletni portal Interesting Engineering, bi lahko ta preboj omogočil testiranje kvantne fizike na doslej ne doseženih lestvicah, kar bi prineslo nova spoznanja o presečišču kvantne mehanike in gravitacije.
Miha D. Kovač
Portal24; Foto: Pixabay
