Ricercatori dello Schliesser Lab del Niels Bohr Institute, Università di Copenaghen, hanno dimostrato un nuovo modo di affrontare un problema centrale nella fisica quantistica:su scala quantistica, qualsiasi misurazione disturba l'oggetto misurato. Questo disturbo limita, Per esempio, la precisione con cui è possibile seguire il movimento di un oggetto. Ma in una membrana di dimensioni millimetriche che vibra come una pelle di tamburo, i ricercatori sono riusciti a monitorare con precisione il movimento con un laser e ad annullare il disturbo quantistico mediante la misurazione. Ciò consente loro di controllare il movimento della membrana a livello quantistico. Il risultato ha potenziali applicazioni in sensori di posizione ultraprecisi, velocità e forza, e l'architettura di un futuro computer quantistico. È ora pubblicato sulla prestigiosa rivista scientifica, Natura .

A livello quantistico, effettuare misurazioni disturba l'oggetto misurato:l'utilizzo di un raggio laser per determinare la posizione o la velocità di un oggetto richiede di bombardarlo con molti fotoni. I fotoni lo prenderanno a calci ad ogni impatto, e l'oggetto inizierà a muoversi di conseguenza. Poiché i fotoni arrivano casualmente, questo si traduce in un movimento casuale aggiuntivo rispetto ai movimenti originali, degradando la capacità di misurare e controllare l'effettivo stato di movimento. Se l'intensità del laser è ridotta, al fine di ridurre tale "retroazione" di misura, il rapporto segnale-rumore nel rivelatore diminuisce e la misurazione diventa imprecisa – di nuovo. "Serve una misura forte, anche se risulta in una retroazione quantistica. Tutto ciò che dobbiamo fare è misurare e annullare la retroazione quantistica. Ed è sostanzialmente quello che siamo riusciti a fare", Il professor Albert Schliesser spiega.

L'esperimento

"I nostri esperimenti ci offrono un'opportunità davvero unica:i nostri dati mostrano molto chiaramente gli effetti quantistici, come la retroazione quantistica, nella misurazione del movimento meccanico. Quindi possiamo testare nei nostri laboratori se modifiche intelligenti dell'apparato di misura possono migliorare la precisione, usando trucchi che negli ultimi decenni potevano essere solo teorizzati, " lui continua.

Il sistema sperimentale è un ca. Membrana 3x3 mm in nitruro di silicio ceramico (Fig 1). È sotto alta tensione e vibra quando viene colpito, proprio come una pelle di tamburo. Uno speciale schema di fori inventato nel laboratorio di Schliesser isola molto bene queste vibrazioni:una volta che vibra, subisce un miliardo di cicli di oscillazione prima di perdere una frazione significativa della sua energia nell'ambiente circostante. (Per un tamburo normale, quel numero sarebbe di circa cento.) Un ulteriore vantaggio del nitruro di silicio è che non assorbe la luce laser utilizzata per interrogare il suo movimento, quindi la membrana non si surriscalda, che porterebbe di nuovo a un movimento incontrollato della membrana.

Controllo dello stato quantico in movimento con cancellazione attiva del rumore

Escludendo le perturbazioni esterne attraverso un isolamento così estremo, gli scienziati possono concentrarsi sugli effetti quantistici della misurazione. Utilizzando un laser molto stabile, possono infatti misurare il movimento, compresa la retroazione di misurazione, fino al livello quantistico. "La cosa notevole è che possiamo quindi prendere questo record di misurazione, eseguilo attraverso un po' di elettronica, e applicare una forza di contrasto alla membrana, per annullare gli effetti casuali della retroazione quantistica. Funziona fondamentalmente come un set di cuffie con cancellazione del rumore, proprio nel regime quantistico, " spiega il dottorando Massimiliano Rossi, uno degli autori principali dello studio. In questo modo, gli scienziati potrebbero preparare in modo deterministico il movimento della membrana in uno stato quantico puro, un obiettivo che i fisici di una serie di comunità hanno perseguito negli ultimi 20 anni.

La ragione risiede nella versatilità di tali tecniche di controllo quantistico quando applicate al movimento. Gli interferometri LIGO ne sono un esempio. Misurano le onde gravitazionali, emesso ad es. fondendo buchi neri a miliardi di anni luce di distanza, monitorando il movimento di grandi specchi sulla terra. Per recuperare questi segnali estremamente deboli, devono spingere la sensibilità a un tale estremo che entrano in gioco i limiti quantistici delle misurazioni del movimento. D'altra parte, il controllo dello stato quantistico dei sistemi meccanici potrebbe essere utile per componenti speciali di un computer quantistico. Un elemento di memoria, Per esempio, trarrebbe vantaggio dalla lunga durata delle eccitazioni meccaniche. In definitiva, Le vibrazioni a controllo quantistico sono interessanti anche da un punto di vista fondamentale:poiché la vibrazione implica che la massa si muova, che ruolo gioca la gravità? In che modo influenza lo stato quantistico del moto? Le teorie accettate di oggi, figuriamoci esperimenti, devono ancora fornire risposte chiare a queste domande.