Сегодня, мы способны к измерению положения объекта с беспрецедентной точностью, но квантовая физика и принцип неуверенности Гейзенберга устанавливают фундаментальные границы нашей способности иметь размеры. Шум, который возникает в результате квантовой природы областей, используемых, чтобы сделать те измерения, налагает то, что называют «стандартным квантовым пределом». Этот тот же самый предел влияет и на ультрачувствительные измерения в наноразмерных устройствах и на датчик гравитационной волны масштаба километра в LIGO. Из-за этого неприятного фонового шума мы никогда не можем знать точное местоположение объекта, но недавнее исследование предоставляет решение для отправки по неправильному адресу части того шума далеко от измерения.
Результаты были изданы онлайн в выпуске 15 мая Science Express.«Если Вы хотите знать, где что-то, Вы должны рассеять что-то прочь его», объясняет профессор Прикладной Физики Кейт Шваб, который привел исследование. «Например, если Вы проливаете свет в объекте, фотоны, которые рассеиваются прочь, предоставляют информацию об объекте.
Но фотоны все не совершают нападки и рассеиваются в то же время, и случайный образец рассеивания создает квантовые колебания» – то есть, шум. «Если Вы проливаете больше света, Вы увеличили чувствительность, но у Вас также есть больше шума. Здесь мы искали способ разбить принцип неуверенности – чтобы увеличить чувствительность, но не шум».
Шваб и его коллеги начали, развивая способ на самом деле обнаружить шум, произведенный во время рассеивания микроволновых печей – электромагнитная радиация, у которой есть длина волны дольше, чем тот из видимого света. Чтобы сделать это, они поставили микроволновые печи определенной частоты к электронной схеме сверхпроводимости или резонатор, который вибрирует на уровне 5 гигагерцев – или 5 миллиардов раз в секунду.
Электронная схема была тогда соединена с механическим устройством, сформированным из двух металлических пластин, которые вибрируют на уровне приблизительно 4 мегагерц – или 4 миллиона раз в секунду. Исследователи заметили, что квантовый шум микроволновой области, из-за воздействия отдельных фотонов, заставил механическое устройство дрожать беспорядочно от амплитуды 10-15 метров о диаметре протона.
«Наше механическое устройство – крошечный квадрат алюминия – только 40 микронов длиной, или о диаметре волоска. Мы думаем о квантовой механике как о хорошем описании для поведений атомов и электронов и протонов и всего этого, но обычно Вы не думаете об этих видах квантовых эффектов, проявляющих себя на несколько макроскопических объектах», говорит Шваб. «Это – физическое проявление принципа неуверенности, замеченного в единственных фотонах, влияющих на несколько макроскопическую вещь».Как только у исследователей был надежный механизм для обнаружения сил, произведенных квантовыми колебаниями микроволновых печей на макроскопическом объекте, они могли изменить свой электронный резонатор, механическое устройство и математический подход, чтобы исключить шум положения и движение вибрирующих металлических пластин от их измерения.Эксперимент показывает, что a) шум присутствует и может быть взят датчиком и b), это может толкнуться где-нибудь, который не затронет измерение. «Это – способ обмануть принцип неуверенности так, чтобы Вы могли набрать чувствительность датчика, не увеличивая шум», говорит Шваб.
Хотя этот эксперимент – главным образом фундаментальное исследование квантовой природы микроволновых печей в механических устройствах, Шваб говорит, что эта линия исследования могла однажды привести к наблюдению за квантом механические эффекты в намного больших механических структурах. И это, он отмечает, могло позволить демонстрацию странного кванта механические свойства как суперположение и запутанность в больших объектах – например, позволив макроскопическому объекту существовать в двух местах сразу.«Субатомные частицы действуют в кванте пути – у них есть подобная волне природа – и так могут атомы, и так могут целые молекулы, так как они – коллекции атомов», говорит Шваб. «Таким образом, вопрос тогда: Вы можете заставить большие и большие объекты вести себя этими странными подобными волне способами?
Почему нет? Прямо сейчас мы просто пытаемся выяснить, где граница квантовой физики, но Вы никогда не знаете».