Polsko-brytyjska grupa naukowców przeprowadziła w Toruniu eksperyment, który pozwoli zwiększyć dokładność pomiarów do granic wyznaczonych fundamentalnymi cechami rzeczywistości.
- Wykorzystaliśmy efekty kwantowe i zmusiliśmy fotony, za pomocą których dokonujemy pomiarów, aby współpracowały ze sobą – mówi dr Rafał Demkowicz-Dobrzański z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, instytucji członkowskiej Narodowego Laboratorium Technologii Kwantowych. Badania prowadzą naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego, Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu i Uniwersytetu w Oksfordzie Wyniki eksperymentu zostały opublikowane w najnowszym wydaniu prestiżowego czasopisma naukowego „Nature Photonics”.
Aby przeprowadzić pomiar – odległości, temperatury lub innej wielkości fizycznej – w kierunku badanego obiektu trzeba zawsze wysłać sondę, na przykład falę świetlną. W wyniku oddziaływania z obiektem fala zmienia się w pewien sposób. Analizując zmiany fali, naukowcy potrafią wydobyć informację o cechach badanego obiektu. Możliwe jest to dzięki zjawisku interferencji, które umożliwia zarejestrowanie nawet niewielkich przesunięć fal względem siebie.
- Możemy obserwować zmiany odległości znacznie mniejsze od długości samej fali – mówi prof. UW Konrad Banaszek z Wydziału Fizyki UW. Szczególną popularnością na świecie cieszy się interferometria optyczna, która wykorzystuje światło widzialne. Jest ono doskonałym narzędziem badawczym, bo stosunkowo łatwo je rejestrować, a długość fal jest bardzo mała, rzędu ułamków mikrometra (10-6 m).
Problemy przy interferometrii optycznej sprawia jednak kwantowa natura światła. Kwanty światła - fotony, są emitowane w sposób przypadkowy. Gdy jest ich bardzo dużo, detektory interferometrów rejestrują sygnał o mniej więcej stałej sile. Ale gdy fotonów jest mało, może się zdarzyć, że do detektora raz dotrze więcej fotonów, raz mniej. Z tego powodu w rejestrowanym sygnale pojawiają się fluktuacje nazywane szumem śrutowym. W praktyce szum śrutowy jest jedną z największych przeszkód w zwiększaniu dokładności pomiarów.
Okazuje się, że pomiary stają się precyzyjniejsze, jeśli można wykorzystać splątanie kwantowe. Splątanie to pojawia się, gdy w jednym procesie fizycznym powstają lub oddziałują pary obiektów kwantowych, np. fotonów. Dwa fotony są splątane, gdy nie jest możliwy pełny opis jednego z nich bez odwoływania się do drugiego.
>>> Dowiedz się więcej o stanach splątanych
- Wykorzystaliśmy splątanie w celu wytworzenia specjalnych stanów światła – wyjaśnia dr Rafał Demkowicz-Dobrzański. - Zamiast jednego fotonu, który przelatuje obiema drogami w interferometrze, używamy dwóch splątanych fotonów, tworzących nierozłączną parę. Taka para w pewien sposób zachowuje się jak jeden foton i interferuje sama ze sobą. Obliczenia wskazują, że dokładność pomiaru jest wówczas lepsza od ograniczenia wynikającego z istnienia szumu śrutowego. Wytworzone stany światła są przy tym stosunkowo odporne na zaburzenia często pojawiające się podczas rzeczywistych pomiarów, np. na gubienie fotonów, które niekiedy są absorbowane wewnątrz badanej próbki.
Teoretycznie precyzyjny pomiar można przeprowadzić bez sięgania po subtelne efekty kwantowe, pod warunkiem, że światło będzie bardzo mocne. Silna wiązka świetlna może jednak zniszczyć badany obiekt i doprowadzić do rozgrzania, stopienia, a nawet spalenia elementów układu pomiarowego. Wykorzystanie efektów kwantowych pozwala zwiększyć precyzję pomiarów bez konieczności sięgania po duże ilości energii.
Eksperyment, wykorzystujący femtosekundowe impulsy podczerwone wytwarzane przez laser tytanowo-szafirowy, został przeprowadzony w Krajowym Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej FAMO w Toruniu. - To nie jest technologia, którą można od razu wykorzystać – podkreśla prof. Banaszek. - Pokazujemy zasadę fizyczną pozwalającą poprawić dokładność pomiarów. Dopiero przyszłe badania wykażą, w jakim stopniu efekt ten będzie można wykorzystać w praktyce i jak zwiększy się dokładność pomiarów.
Wyniki doświadczenia będzie można zastosować m.in. przy tworzeniu dokładniejszych wzorców długości, precyzyjniejszych zegarów atomowych i w interferometrach grawitacyjnych – wyrafinowanych przyrządach pomiarowych, za pomocą których fizycy starają się wykryć fale grawitacyjne.
Przemysław Goławski,
na podstawie materiałów Narodowego Laboratorium Technologii Kwantowych
