Aktiv støjreduktion for en kvantetromme
Forskere ved Schliesser laboratoriet i sektionen for Kvanteoptik på Niels Bohr Institutet og Centre for Hybrid Quantum Networks (Hy-Q)ved Københavns Universitet, har fundet løsningen på et centralt problem i kvantefysik: Når man befinder sig på kvanteskala, forstyrrer enhver måling det målte objekt. Forstyrrelsen begrænser den præcision et objekts bevægelse kan måles med. Men nu er det lykkedes for forskerne at måle bevægelsen i en millimeterstor membran, som vibrerer som et trommeskind, med en laserstråle – og at ophæve kvanteforstyrrelsen eller ”støjen”, som laserstrålens måling medfører.
Dette tillader en hidtil uset præcis kontrol af membranens vibration på kvanteniveau. Resultatet har potentiale indenfor ultrapræcise sensorer, der måler position, hastighed og kraft, og ikke mindst i en fremtidig kvantecomputers konstruktion. Resultatet er nu publiceret i det toneangivende videnskabelige magasin, Nature.
Livet i en kvanteverden
På kvanteniveau forstyrres de objekter, man måler på af selve målingen: Bruger man en laserstråle til at fastslå position eller hastighed på et givet objekt, må man bombardere objektet med mange fotoner fra laserstrålen.
Fotonerne vil påvirke objektet ved hver møde, og objektet vil begynde at bevæge sig i takt. Fotonerne rammer objektet med tilfældig frekvens, og resultatet er en uønsket, ekstra bevægelse af objektet, oveni den bevægelse det oprindeligt havde. Dermed kan man ikke måle objektets oprindelige bevægelsestilstand.
Hvis målingens intensitet dæmpes for at reducere støjen eller målingens ”backaction”, går forholdet mellem det oprindelige signal og den støj, der altid er i en detektor ned – og målingen bliver igen upræcis. ”Vi har brug for styrken i målingen, selvom det resulterer i forstyrrelser eller ”quantum backaction”, som fagudtrykket siger.
Alt hvad vi behøver gøre, er at måle og ophæve den forstyrrelse eller støj, målingen resulterer i. Og det er grundlæggende hvad det er lykkedes os at gøre”, forklarer Professor Albert Schliesser.
En silicium nitrid membran i en millimeter stor firkantet silicium ramme. Det hule mønster i membranen har et fononisk båndgab, der begrænser vibrationerne ved bestemte frekvenser i midten.
Eksperimentet
”Vort eksperiment giver os en ganske unik mulighed: Vores data viser os meget klare kvanteeffekter, såsom ”quantum backaction” i målingerne af mekanisk bevægelse. Dermed kan vi i laboratoriet teste, om intelligente modifikationer i måleapparaterne kan forbedre præcisionen – ved at anvende tricks, som det kun har kunnet lade sig gøre at teoretisere over i de seneste årtier”, forklarer han.
Det eksperimentelle system består af en 3x3 mm stor membran, lavet af keramisk siliciumnitrid (fig 1). Det er spændt ud og vibrerer, når det påvirkes – præcis som et trommeskind. Et særligt mønster af huller, opfundet i Schliessers laboratorium, isolerer vibrationen ekstremt godt: Når membranen vibrerer, går den gennem en milliard oscillations-cykler, før den mister en betydelig del af sin energi til omgivelserne (for en normal tromme, ville dette tal ligge på ca. 100).
Endnu en fordel ved siliciumnitrid er, at det intet absorberer af det laserlys, som benyttes til at måle bevægelsen – membranen varmes dermed ikke op, hvilket igen ville føre til ukontrolleret bevægelse.
Kontrol af bevægelsen i den mekaniske kvantetilstand gennem aktiv støjreduktion
Udelukkelsen af eksterne forstyrrelser gennem denne ekstreme isolering, betyder, at forskerne kan fokusere på kvanteeffekterne af målingen. Ved at anvende en meget stabil laser, kan de vitterlig måle vibrationen, inklusive målingens støj eller backaction, helt ned på kvanteskala. ”Det bemærkelsesværdige er, at vi nu kan køre målingen gennem elektronik, modvirke målingens støj og dermed udelukke de tilfældige effekter på membranen. Det fungerer grundlæggende som et par støjreducerende høvedtelefoner, men på kvanteskala”, for klarer ph.d. studerende Massimiliano Rossi, en af studiets hovedforfattere. Således kan forskerne bestemme bevægelsen i en kvantemembran i en ren kvantetilstand uden støj – et mål, der har været uopnåeligt for fysikere fra mange forskellige videnskabelige felter gennem de seneste 20 år.
Gruppeleder Prof. Albert Schliesser og forskerne Dr. David Mason, Massimiliano Rossi og Junxin Chen (fra venstre mod højre) leder indsatsen omkring det optiske bord, som eksperimenterne udføres på.
Perspektiverne i kvantekontrol af bevægelse
Potentialet for kvantekontrol af bevægelse er stort. LIGO interferometrene er et godt eksempel. De måler tyngdebølger, udsendt af himmellegemer, fx kolliderende sorte huller, milliarder af lysår væk, ved at monitorere store spejles ganske små bevægelser her på jorden. For at fange disse ekstremt svage signaler, må følsomheden i instrumenterne presses til det yderste, helt ned på kvanteskala. Desuden kunne kontrol af kvantebevægelser i mekaniske systemer anvendes i komponenterne i en kvantecomputer. Et element i computerens hukommelse kunne fx drage fordel af de mekaniske bevægelsers lange levetid. I sidste ende er kvantekontrol af bevægelse også interessant set fra en grundforskningsvinkel. Idet vibration betyder, at masse bevæger sig, hvilke rolle spiller så tyngdekraften? Hvordan påvirker den kvantebevægelser? Det findes der endnu ikke klare svar på i vores nuværende teorier eller eksperimenter.
Link til videnskabelig artikel:
Rossi et al, Measurement-based quantum control of mechanical motion, Nature 563, 53–58 (2018): https://doi.org/10.1038/s41586-018-0643-8
Se også:
Kontakt
Albert Schliesser, Professor i Kvanteoptik, Centre for Hybrid Quantum Networks og Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, Telefon: +45 35 32 54 01 Email: albert.schliesser@nbi.dk