哥本哈根大学尼尔斯玻尔研究所施利瑟实验室的研究人员已经将力和位置测量的精确度推进到了一个新的境界。他们的实验是第一个超越所谓“标准量子极限”(SQL)的实验。SQL是用于超精密位置测量的最常见(也是最成功的)光学技术中出现的极限。50多年来,实验人员一直在用各种各样的技术来击败SQL,但都没有任何效果。在他们最近的工作中,尼尔斯玻尔研究所的研究人员对标准方法进行了简单的修改,从而实现了测量中必要的量子噪声消除。该结果和基础实验对引力波天文学技术以及生物应用的力显微镜具有潜在的意义。这项研究现在发表在著名的科学杂志上,自然物理.
量子噪声的麻烦
量子行为有量子后果。在测量的背景下,这通常意味着测量量子系统的行为扰乱了它。这种效应被称为“反向作用”,是基本量子不确定性的结果,最早由维尔纳·海森堡在20世纪20年代在尼尔斯·玻尔的哥本哈根研究所工作期间提出。在许多情况下,这会限制测量的精确度。
引力波望远镜,如LIGO(激光干涉仪引力波天文台),其发现获得了2017年的诺贝尔物理学奖,通过一种被称为干涉仪的光学配置,将激光反射到镜子上,测量其位置。这种测量的“不精确性”可以通过增加激光功率来改善,但最终激光光子的随机踢动会扰乱镜子的位置,导致测量的灵敏度降低,从而使微弱或遥远的天体无法被探测到。通过最佳地平衡不精确噪声和反向作用,可以达到额外噪声的最小量,建立“标准量子限制”(SQL)。这种最小的噪声水平设置了任何常规干涉仪可能的最佳精度。
为了绕过这个限制,必须以某种方式修改干涉仪以避免这些量子噪声源。自SQL建立以来的50年里,人们提出了各种各样的建议,近年来出现了几个原理证明实验演示。到目前为止,还没有任何实验能以超过SQL的精度测量物体的位置。但这正是哥本哈根团队所完成的,多亏了先进的光学和纳米机械技术。
比金本位制度好
“SQL是度量质量的黄金标准。这并不是根本无法克服的问题,但就力和位置测量而言,这是非常困难的。就连LIGO也还没到那一步。但有了我们的系统,我们认为我们应该有机会,”领导该团队的施利瑟教授解释说。该系统是Schliesser团队在过去几年开发的一个实验平台。就像LIGO一样,它使用激光驱动的干涉仪来测量位置,在这种情况下是陶瓷氮化硅制成的膜。虽然薄膜很薄(20纳米),但有几毫米宽,肉眼很容易看到[插图?]。为了超越SQL,研究人员使用的“技巧”包括对薄膜反射的光进行特殊测量。在这种配置下,探测器能够以一种让这些噪声源相互抵消的方式同时测量不精度和反向作用。换句话说,剩下的就是一个“干净”的度量。
30%的改进对于实际应用来说是一个非常好的消息
“一旦我们知道我们可以非常接近SQL,击败它所需的修改实际上是相当简单的,”哥本哈根的美国博士后、该研究的主要作者大卫·梅森博士解释说。“我们使用的是测量设置本身产生的量子效应,所以额外的技术努力实际上是有限的。这对于潜在的实际应用来说是个好消息。”使用这种技术,NBI的研究小组能够测量薄膜的位置,其精度比SQL所允许的精度高出近30%。这标志着对机械物体的量子测量的一个分水岭时刻,突显了最先进的技术已经发展到何种程度,并预示着光明的前景。像这里研究的光机械系统将继续帮助引力波天文学相关技术的发展,同时也将其极高的灵敏度应用于其他领域。Schliesser实验室的设备已经被集成到最先进的力感应用中,它们可能使纳米级的核磁共振成像成为可能,可能成像单个HI或流感病毒。
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