Forskere fra Hy-Q løser centralt kvantefysisk problem

12. november 2018

Professor Albert Schliesser er gruppeleder for et forskningshold ved DG’s Centre for Hybrid Quantum Networks (Hy-Q), der ved hjælp af ultrapræcise sensorer har fundet løsningen på et stort kvantefysisk problem. Studiet er publiceret i Nature 

Fra venstre: professor og gruppeleder Albert Schliesser med forskerne Dr. David Mason, Massimiliano Rossi og Junxin Chen. Foto: Niels Bohr Institutet.

Professor Albert Schliesser fra grundforskningscenteret Hy-Q ved Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet har sammen med sit forskningshold, der blandt andet  

består af postdoc David Mason, Ph.d.-stipendiat Massimiliano Rossi og Junxin Chen fra Hy-Q’s forskningsgruppe for Kvanteoptik, løst et centralt problem i kvantefysikken. Forskerne har fundet en løsning på at måle objekter på kvanteniveau med ekstrem præcision uden forstyrrelser.   

Når man måler et objekt på kvanteniveau, forstyrres objektet af målingen selv. Benytter forskere eksempelvis en laserstråle til at bestemme den eksakte position for et givent kvanteobjekt, så forstyrres denne bestemmelse af ”støj” i form af laserlysets fotoner – lyspartiker – der får objektet til at bevæge sig i takt med fotonerne, når de rammer objektet.  

Da fotonerne rammer objektet med en tilfældig frekvens, medfører dette, at der opstår en ekstra bevægelse udover den oprindelige objektet havde inden mødet med laserstrålen. Dette gør objektets oprindelige bevægelsestilstand ekstremt svær at måle – en bedrift, forskere verden over har forsøgt at løse i over to årtier. Men nu har professor Schliesser og resten af forskningsholdet fra Hy-Q gjort det muligt at måle objektets bevægelse ved hjælp af en særlig keramisk milimeterstor membran. 

”Vi har brug for styrken i målingen, selvom det resulterer i forstyrrelser eller ”quantum backaction”, som fagudtrykket siger. Alt hvad vi behøver at 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 og seniorforfatter på studiet Albert Schliesser.  

Ved hjælp af et eksperiment bestående af en såkaldt membran på 3×3 mm, fremstillet af keramisk siliciumnitrid, der er spændt ud og vibrerer som et trommeskind, når det påvirkes af en måling, kan forskerne fra Hy-Q udelukke ekstern støj. Det skyldes, at membranen har en ekstremt god isolation grundet et særligt hullet mønster, udviklet af Schliesser’s laboratorium.  

”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.” 

Udelukkelsen af forstyrrelser udefra gennem ekstrem god isolering betyder, at professor Schliesser og resten af forskningsholdet kan fokusere på selve kvanteeffekterne af målingen uden forstyrrelser fra baggrundsstøj. Ved at anvende en stabil laser kan forskerne nemlig både måle vibrationen, samt målingens støj eller såkaldt ”backaction”, helt ned på kvanteniveau, hvilket gør forskerne i stand til at bestemme bevægelsen i kvantemembranen i en ren kvantetilstand.  

”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,” forklarer ph.d. studerende Massimiliano Rossi ved Hy-Q og en af hovedforfatterne på studiet.  

Læs den videnskabelige artikel i Nature her

Mere information om studiet kan findes i en pressemeddelelse hos Københavns Universitet her.