Neredeyse bir yüzyıl boyunca, Heisenberg’in belirsizlik ilkesi kuantum fiziğinin tanımlayıcı fikirlerinden biri olarak durdu: bir parçacığın konumu ve momentumu aynı zamanda mutlak hassasiyetle bilinemez. Birini ne kadar çok bilirseniz, diğeri hakkında o kadar az bilirsiniz.
Yayınlanan yeni bir çalışmada Bilim ilerlemeleriekibimiz, fiziği kırarak değil, belirsizliğin kendisini yeniden şekillendirerek bu kısıtlamada nasıl çalışacağını gösterir.
Sonuç, ölçüm biliminde, atomlar ölçeğinde çalışan yeni nesil ultra-dayanıklı kuantum sensörlerini güçlendirebilecek bir atılımdır.
Belirsizliği hareket ettirmek
Belirsizlik ilkesi, ölçümlerde her zaman minimum belirsizlik olacağını açıkça ortaya koymaktadır. Ama bunu bir balondaki hava gibi düşünebilirsiniz: hava kaçamaz, ancak içeride serbestçe hareket ettirebilirsiniz.
Benzer şekilde, pozisyon ve momentumu ölçerken, toplam belirsizlik miktarı sabittir. Ancak bunu ikisi arasında yeniden dağıtabiliriz.
Geleneksel olarak, bu değiş tokuş bir seçim yapmak anlamına gelir. Pozisyonu tam olarak ölçebilir, ancak momentum hakkında bilgi kaybedebilirsiniz, ya da tam tersi.
Çalışmamız farklı bir yaklaşım benimsiyor. Belirsizliği önemsiz bir algılama aralığına itiyoruz.
Bunu anlamak için başka bir benzetme deneyelim: sadece bir el ile bir saat hayal edin. Eğer saat eli ise, saati tam olarak biliyoruz ama sadece kabaca dakikaları biliyoruz. Dakika eli ise, dakikaları tam olarak okuyabiliriz, ancak saati bilmiyoruz.
Aynı fikri kuantum ölçümlerine uyguluyoruz. Noktanın kendisinin mutlak yerini bilmesek bile, seçilen bir nokta çevresindeki konum ve momentumdaki küçük değişiklikleri aynı anda izleyebilmemiz için belirsizliği yeniden dağıtıyoruz.
Bununla, herhangi bir klasik sensörün sınırının ötesinde, hem pozisyonda hem de momentumda çok küçük değişiklikler tespit edebiliriz.
Kuantum algılama için hata düzeltme kodlarını kullanmak
Bunu nasıl yaptık? Ölçüm cihazlarının hassasiyetini artırmak için kuantum bilgisayarları gürültüden korumak için tasarlanan teknikleri yeniden tasarladık. Bu fikir ilk olarak 2017 yılında teorik bir çalışmada önerildi.
Deneyimizi tuzağa düşmüş bir iyon kullanarak gerçekleştirdik. Bu, yerinde tutulan ve elektrik ve manyetik alanlarla kontrol edilen tek bir elektronik yüklü atomdur.
İyonu “ızgara durumları” nda hazırladık, başlangıçta hata düzeltilmiş kuantum hesaplama için geliştirilen bir tür kuantum durumu. Daha sonra bu durumları, bir kuantum bilgisayardaki hataları nasıl algılayacağına benzer şekilde küçük sinyalleri ölçmek için bir sensör olarak kullandık.
Kuantum bilgi işlem ve kuantum algılama arasındaki bu geçiş, çalışmalarımızın arkasındaki temel fikirdir.
Deneyimiz, yarım nanometreye karşılık gelen bir sinyalde, kabaca bir atomun büyüklüğünde bir belirsizliği ölçebileceğimizi gösterdi.
Ayrıca, Yoctonewtons’ta ölçülen son derece küçük güçleri de ölçebiliriz – bu, Newton’un trilyonda bir trilyonda biri. Bu, yaklaşık 30 oksijen molekülünün ağırlığını ölçmek gibidir.
Neden önemli?
Son derece küçük sinyalleri ölçebilmenin derin sonuçları vardır. Karşıt olarak, minikülün ölçülmesi, en büyük ölçekte anlayışımızı geliştirmemize yardımcı olabilir.
Kuantum sensörleri zaten yerçekimi dalgası gözlemevlerinin çarpışan kara delikler gibi kozmik olayları tespit etmesine yardımcı olur. Çalışmamız, daha büyük algılama yeteneklerinin kapısını açar ve potansiyel olarak astrofiziksel nesneler hakkındaki anlayışımızı derinleştirir.
Bu deney hala bir fizik laboratuvarının sınırları dahilindedir. Yarın dükkanlarda göreceğiniz bir araç değil. Ancak, hassas ölçümler yapmanın bu yeni yolunun bir dizi ultra hassas kuantum sensörüne yol açacağından eminiz.
