Naukowcy przekraczają granice czułości pomiaru kwantowego
W ramach pionierskich badań w Europie dokonano tego, czego nikt do tej pory nie był w stanie osiągnąć - przekroczono granicę czułości pomiaru kwantowego. Osiągnięcie to może mieć kluczowe znaczenie dla interferometrii i kwantowych granic pomiaru. Zaprezentowane w czasopiśmie Nature badania zostały częściowo dofinansowane z projektu EMALI (Inżynieria, manipulacja i charakterystyka stanów kwantowych materii i światła), który otrzymał grant sieci badawczo-szkoleniowej Marie Curie o wartości ponad 439.000 EUR z budżetu Szóstego Programu Ramowego (6PR) UE na opracowanie ogólnych technik teoretycznych i doświadczalnych w zakresie inżynierii, manipulacji i charakterystyki stanów kwantowych materii i światła. Interferometria wykorzystuje zasadę superpozycji kwantowej, która umożliwia cząstkom kwantowym obieranie wielu ścieżek jednocześnie. To pozwala im wykrywać niewielkie różnice między ścieżkami. Dzięki ostatnim badaniom interakcje między cząstkami można wykorzystać do opracowania czulszych interferometrów. Naczelny autor, Mario Napolitano, doktorant z Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) w Barcelonie, Hiszpania, wraz z kolegami wykorzystał oddziałujące wzajemnie na siebie fotony do zbadania zespołu atomowego, skutecznie przekraczając podstawową granicę czułości, tak zwaną granicę Heisenberga, którą eksperci opisują jako ostateczną granicę rozmaitych pomiarów, w tym obrazowania magnetycznego i wykrywania fal. "Najprecyzyjniejsze instrumenty są ze swej natury interferometryczne i działają zgodnie z prawami mechaniki kwantowej" - czytamy w artykule, jaki ukazał się w czasopiśmie Nature. "Zbiór cząstek, na przykład fotonów lub atomów, jest przygotowany w stanie superpozycji, który może ewoluować pod wpływem operatora Hamiltona zawierającego nieznany parametr X i zostać zmierzony zgodnie z teorią pomiaru kwantowego. Komplementarność pomiarów kwantowych wyznacza ostateczną czułość tych instrumentów." Fizycy kwantowi twierdzą, że zgodnie z zasadą nieoznaczoności Heisenberga niektórych par właściwości fizycznych, takich jak położenie i pęd, nie można poznać równocześnie z dowolną precyzją - z im większą dokładnością znana jest jedna właściwość, z tym mniejszą dokładnością może być poznana druga. Na podstawie tego odkrycia interakcje międzycząsteczkowe mogłyby zostać wykorzystane w metrologii kwantowej. Zważywszy na pewne ograniczenia związane z czynnością pomiaru w fizyce kwantowej, uzyskanie czułości staje się złożonym procesem. Zdaniem ekspertów w pomiarze obejmującym interferencję kwantową wśród N cząstek sondujących, czułość zwiększa się wraz ze wzrostem N w skali 1/N1/2 - jeżeli cząstki są niezależne oraz 1/N (granica Heisenberga) - jeżeli są kwantowo-mechanicznie "splątane". Naukowcy zasugerowali ostatnio, że zwiększenie czułości jest możliwe pod warunkiem wzajemnej interakcji cząstek. Zasadniczo zachowanie się jednej cząstki jest zależne od obecności innych. W toku ostatnich badań naukowcy opracowali system w celu uzyskania tego "superheisenbergowskiego" skalowania. Zespół wykorzystał nielinearne efekty optyczne w zespole zimnych atomów, aby wywołać interakcje wśród fotonów wykorzystywanych do badania magnetyzacji zespołu. Pomiar wykazał zwiększenie skalowania poza granicę Heisenberga, przewyższając dziesięciokrotnie tradycyjny interferometr. "Wyniki naszych prac pokazują, że interakcje międzycząsteczkowe mogą zwiększyć czułość pomiaru kwantowego, a doświadczenia wskazują na nową drogę w metrologii kwantowej" - podsumowują autorzy.Więcej informacji: Institut de Ciències Fotòniques (ICFO): http://www.icfo.es/ Nature: http://www.nature.com/
Kraje
Hiszpania, Francja