Kvantespring i udviklingen af præcisionssensorer på tværs af teknologier

Kvantegrænsen – det er her, det bliver virkelig vanskeligt

Optiske sensorteknologier er allerede en del af vores hverdag. I de senere år har fremskridt inden for kvanteoptik skubbet følsomheden af sensorerne tættere på den såkaldte standardkvantegrænse – en praktisk grænse, der opstår på grund af den uundgåelige støj, der opstår ved målinger på de allermindste skalaer.

Vil man ud på den anden side af denne grænse kræves brug af avancerede kvanteteknikker til at annullere eller i det mindste reducere støjen.

Begreber som klemt lys (squeezed light), backaction reduktion og sammenfiltring (entanglement) er blandt værktøjerne i værktøjskassen.

Back-action støj opstår, når målingen forstyrrer det system, der måles på, mens detektionsstøj refererer til en iboende usikkerhed ved aflæsning af målesignalet.

Sammenfiltring eller kvantekorrelationer, som er et nøgletræk, der adskiller moderne kvantefysik fra klassisk fysik tillader imidlertid målinger  hinsides standardkvantegrænsen.

Kombination af forskellige teknologier var nøglen til succes

Sammenfiltring er, historisk set, først observeret i mikroskopiske systemer, såsom systemer bestående af enkelte atomer og fotoner.

Det nye system, som nu er udviklet på NBI, bruger en stor-skala sammenfiltring, som for første gang involverer en sky af atomer og lysstråler i forskellige farver. Dette er en usædvanlig kombination af teknikker, der muliggør frekvensafhængig klemning, en teknik, der reducerer kvantestøj over et bredt frekvensbånd.

Dette er afgørende for anvendelser som gravitationsbølgedetektion og mange andre sensorteknologier.

Reduktion af kvantestøj med klemt lys og et spinsystem med "negativ masse"

Klemt lys er kendetegnet ved at have reduceret kvantestøj – det er “klemt” ned under standardkvantegrænsen.

Normalt kan støjen fra enten amplituden eller fasen af en lysbølge reduceres ved klemning. Reduktion af kvantestøjen på tværs af et bredt frekvensområde kræver dog, at klemningen varierer fra klemt amplitudestøj til klemt fasestøj ved forskellige frekvenser.

Denne variation opnås ved at sende klemt lys gennem et atomart spinensemble, der roterer fasen af klemt lys afhængigt af dets frekvens. Dermed opnår man et større ”spillerum” til støjreduktion, så at sige.

En anden kritisk egenskab ved spinensemblet er dets evne til at vende støjens fortegn fra positivt til negativt. Denne egenskab fører til kvantestøjsreduktion, når signalet fra en sensor kombineres med signalet fra spinensemblet.

Således muliggør frekvensafhængig klemning og spinsystemet med negativ masse samtidig undertrykkelse af back-action støj og detektionsstøj fra sensoren i et bredt frekvensområde.

Professor ved Niels Bohr Institutet, Eugene Polzik, forklarer: “Sensoren og spinsystemet vekselvirker med to sammenfiltrede lysstråler. Efter interaktionen detekteres de to lysstråler, og de detekterede signaler kombineres. Resultatet er bredbåndssignaldetektion under standardkvantegrænsen for følsomhed.”

Størrelsen betyder noget – og et kompakt system er langt mere praktisk at anvende

Konventionelle tilgange til frekvensafhængig klemning og bredbåndskvantestøjreduktion kræver ofte store, komplekse optiske opstillinger. For eksempel bruges der i forbindelse med gravitationsbølgedetektorer (GWD'er), såsom LIGO i USA og VIRGO i Italien, 300 meter lange optiske resonatorer til at opnå den nødvendige reduktion af kvantestøj.

Fremtidige GWD'er, såsom Einstein-teleskopet, der planlægges opført i Europa, vil kræve kilometerlange resonatorer til samme formål. Den nye metode viser imidlertid vejen til en sammenlignelig ydeevne ved hjælp af apparatur, der ikke fylder mere end et spisebord.

Stort potentiale i anvendelighed

Det hybride kvantenetværk, som forskerne på NBI har realiseret, har bredt potentiale i sensoranvendelser. Det kunne bruges i avancerede sensorer til detektion af små ændringer i magnetfelter, tid eller acceleration.

I biomedicinske anvendelser kunne sådanne sensorer forbedre opløsningen af magnetisk resonansbilleddannelse (MRI-scannere), og dermed muliggøre tidligere detektion af neurologiske lidelser. - I det hele taget forbedre følsomheden af biosensorer, der anvendes i diagnostik og overvågning.

Som tidligere nævnt, analyserede forskerne også, hvordan systemet kan forbedre følsomheden af gravitationsbølgedetektorer, hvilket gør det muligt for os at aflæse de yderst svage signaler fra voldsomme begivenheder i universet, såsom sammenstød af sorte huller eller kollisioner af neutronstjerner.

En dybere indsigt i gravitationsbølger vil også kunne hjælpe til med at forstå de processer, der fandt sted under dannelsen af universet.

Ud over detektion af svage signaler åbner systemets arkitektur også nye muligheder inden for kvantekommunikation og -beregning. Det kunne tilpasses til brug i kvanterepeatere, som forbedrer signalerne til sikker langdistancekommunikation og i kvantehukommelser i kvantenetværk – med andre ord viser systemet stor alsidighed på tværs af flere domæner inden for kvanteteknologi.

• Link til den videnskabelige artikel: https://www.nature.com/articles/s41586-025-09224-3