28. maj 2019

Forskere på Niels Bohr Institutet sætter ny standard for præcision i kvantemålinger

KVANTEFYSIK

Forskere på Professsor Albert Schliessers laboratorium på Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, har flyttet grænserne markant for præcisionsmålinger af kraft og position på kvanteniveau. Deres eksperiment er det første nogensinde, som overgår den såkaldte ”Standard Quantum Limit”, SQL, som opstår i de mest almindelige, optiske teknikker for ultrapræcise positionsmålinger. I mere end 50 år har man forsøgt at bryde SQL grænsen eksperimentelt med en række, forskellige teknikker, men uden held. I dette seneste resultat, har forskerne ved Niels Bohr Institutet klaret opgaven med en simpel modifikation af den almindelige tilgang til problemet. Det er lykkedes at fjerne kvantestøjen i målingen og dermed opnå en langt højere præcision. Resultatet og det bagvedliggende eksperiment har anvendelsesmuligheder indenfor målinger af tyngdebølger og kraftmikroskopi i biologien. Resultatet er nu publiceret i ansete videnskabelige magasin, Nature Physics.

PhD studerende Junxin Chen and Massimiliano Rossi står på hver side af David Mason, førsteforfatter på artiklen i Nature Physics. David står med silicium nitrid membranen i hånden, holdt fast i en pincet.

Problemet med kvantestøj

Handlinger på kvanteniveau har konsekvenser på kvanteniveau. Når det drejer sig om målinger, betyder det ofte, at alene forsøget på at måle på et kvantesystem, forstyrrer selve systemet så meget, at målingen bliver ubrugelig. Denne effekt kaldes ”backaction” på engelsk og er en slags feedback i systemet. Det er et resultat af en fundamental usikkerhed på kvanteniveau, som første gang blev formuleret af fysikeren Werner Heisenberg under hans besøg på Niels Bohr Instituttet i 1920rne. Usikkerheden sætter en grænse for, hvor præcis en måling kan blive.

Tyngdebølge-teleskoper som LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), som fik Nobel prisen i fysik i 2017, skyder laserlys på et reflekterende spejl, for at måle dets position. Denne optiske konfiguration kaldes et interferometer. Laserstrålen måler altså, men øger man laserstrålens styrke, for at styrke målingen, vil bombardementet af fotoner fra laserstrålen selv forstyrre spejlets position så meget, at målingen bliver upræcis. Det kan fx betyde, at detektionen af meget fjerne astrofysiske objekter kan forsvinde fra målingen. Ved at optimere laserstrålen, så den både måler effektivt og samtidig ikke forstyrrer målingen med sin ”backaction”, opnås det man kalder ”Standard Quantum Limit” (SQL). Denne standard har hidtil markeret grænsen for den bedst opnåelige måling.

Skal man nå videre end denne grænse, må man modificere interferometeret, så man på en eller anden måde undgår kilden til denne kvantestøj. I de 50 år siden standarden SQL blev etableret, har mange forslag set dagens lys og mange eksperimenter er mislykkedes med det. Indtil videre har intet eksperiment haft succes med at måle et objekts position med en præcision, der er bedre en SQL. Men dette er lige nøjagtig, hvad holdet af forskere i København nu har opnået, takket være avancerede optiske og nanomekaniske teknikker.

Bedre end guld standarden

En tynd silicium nitrid membrane (hvid) er strukket ud i en silicium ramme (blå). Membranen har et mønster af huller, med et centrum hvis vibrationer måles i eksperimentet.

”SQL er noget af en guld-standard for kvaliteten af en måling. Det er ikke fordi den er umulig at overgå, men når det gælder målinger af kraft og position, har det vist sig at være meget vanskeligt. Selv LIGO har ikke klaret det endnu. Men med vores system mente vi at have en chance”, forklarer Albert Schliesser, som leder holdet af forskere. Deres system er en eksperimentel platform, som er udviklet i Schliessers forskergruppe gennem de senere år. Præcis som LIGO benytter det et laserstyret interferometer til at måle en position, men her sker det på en membran af keramisk silicium nitrid. Den er meget tynd, kun 20 nanometer, men er flere millimeter bred på hver led, og kan sagtens ses med det blotte øje. Det trick, forskerne anvendte for at nå længere end SQL, var at anvende en særlig måling af det laserlys, som blev reflekteret væk fra membranen. På denne måde kan detektoren måle både unøjagtighed og ”backaction” på en måde, der lader dem ophæve hinanden. Med andre ord, det, der bliver tilbage, er en ”ren” måling.

En forbedring på 30 % er gode nyheder for den praktiske anvendelse af resultatet

”Da vi først havde fundet ud af, at vi kunne komme meget tæt på SQL standarden, var de modifikationer, der var nødvendige for at overgå den, faktisk meget ligetil”, forklarer David Mason, postdoc fra USA, og førsteforfatter til artiklen. ”Vi benytter kvanteeffekter, som opstår i selve måleopstillingen, så den ekstra teknologiske indsats, vi måtte lave, var faktisk begrænset. Det er gode nyheder for den praktiske anvendelse”. Med denne teknik var gruppen på Niels Bohr Institutet i stand til at måle deres membrans position med en nøjagtighed, der var 30 % bedre end SQL ville have kunnet opnå. Dette er et jordskreds-resultat for kvantemålinger af mekaniske objekter, og understreger hvor langt teknikken er nået - og at den går en lys fremtid i møde. Optisk-mekaniske systemer som det, der spiller hovedrollen her, ser ud til at kunne hjælpe med i udviklingen af teknikker til brug for tyngdebølge astronomi, men deres ekstreme nøjagtighed har også andre anvendelsesmuligheder. Teknikker fra Schliesser lab er i færd med at blive integreret i detektionsapparatur, og det er muligt, at de senere vil kunne bruges til at skabe ekstremt detaljerede scanninger på nanometer skala af enkelte HIV vira eller influenzavirus.

Link til den videnskabelige artikel