Los investigadores del Laboratorio Schliesser en el Instituto Niels Bohr, Universidad de Copenhague, han llevado la precisión de las medidas de fuerza y posición a un nuevo régimen. Su experimento es el primero en superar el llamado "Límite Cuántico Estándar" o SQL, que surge en las técnicas ópticas más comunes y exitosas para mediciones de posición ultra precisas. Durante más de 50 años, los experimentadores han corrido para vencer al SQL utilizando una variedad de técnicas, pero fue en vano. En su trabajo reciente, elLos investigadores del Instituto Niels Bohr han hecho el truco con una simple modificación del enfoque estándar, que permite la cancelación necesaria del ruido cuántico en la medición. El resultado y el experimento subyacente tienen implicaciones potenciales para las técnicas de astronomía de ondas gravitacionales, así como la microscopía de fuerza.con aplicaciones biológicas.
El trabajo ahora está publicado en la revista Física de la naturaleza .
El problema con el ruido cuántico
Las acciones cuánticas tienen consecuencias cuánticas. En el contexto de las mediciones, esto a menudo significa que el acto mismo de medir un sistema cuántico lo perturba. Este efecto se conoce como 'acción inversa', y es una consecuencia de incertidumbres cuánticas fundamentales, primero concebidopor Werner Heisenberg durante su estadía en el Instituto Niels Bohr de Copenhague en la década de 1920. En muchos casos, esto establece un límite en cuanto a la precisión de una medición.
Los telescopios de ondas gravitacionales como LIGO, el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser, cuyos descubrimientos recibieron el premio Nobel de física 2017, hacen rebotar la luz láser en un espejo para medir su posición, en una configuración óptica conocida como interferómetro. La 'imprecisión'.de esta medición puede mejorarse aumentando la potencia del láser, pero eventualmente las patadas aleatorias de los fotones láser perturbarán la posición del espejo, lo que conducirá a una medición menos sensible que dejará sin detectar objetos astronómicos débiles o distantes.backaction, uno puede alcanzar una cantidad mínima de ruido adicional, estableciendo el 'Límite cuántico estándar' SQL. Este nivel de ruido mínimo establece la mejor precisión posible por cualquier interferómetro convencional.
Para superar este límite, uno debe modificar el interferómetro de alguna manera para evitar estas fuentes de ruido cuántico. En los 50 años desde que se estableció el SQL, se han presentado varias propuestas, y los últimos años han traído varias pruebas dedemostraciones experimentales principales. Hasta ahora, ningún experimento ha medido realmente la posición de un objeto con una precisión que supere el SQL. Pero esto es precisamente lo que el equipo de Copenhague ha logrado, gracias a las técnicas ópticas y nanomecánicas avanzadas.
Mejor que el estándar de oro
"El SQL es algo así como un estándar de oro para la calidad de una medición. No es nada que no pueda superarse fundamentalmente, pero en lo que respecta a las mediciones de fuerza y posición, resultó ser muy difícil. Incluso LIGOtodavía no está allí. Pero con nuestro sistema pensamos que deberíamos tener una oportunidad ", explica el profesor Schliesser, quien dirigió el equipo. Este sistema es una plataforma experimental desarrollada en el grupo de Schliesser en los últimos años. Al igual que LIGO, utilizaun interferómetro alimentado por láser para medir una posición, en este caso la de una membrana hecha de nitruro de silicio cerámico. Aunque es muy delgada 20 nanómetros, la membrana tiene varios milímetros de ancho y es fácilmente visible a simple vista [Ilustración?].El "truco" empleado por los investigadores para ir más allá del SQL consiste en realizar una medición especial de la luz reflejada por la membrana. En esta configuración, el detector puede medir simultáneamente tanto la imprecisión como la acción inversa de una manera que permita que estos ruidos provenganse cancelan mutuamente.En otras palabras, lo que queda es una medición "limpia".
30% de mejora es una muy buena noticia para aplicaciones prácticas
"Una vez que supimos que podíamos acercarnos mucho al SQL, las modificaciones requeridas para superarlo en realidad fueron bastante sencillas", explica el Dr. David Mason, un postdoc estadounidense en Copenhague, y autor principal del estudio. "Estamos utilizandolos efectos cuánticos que surgen en la configuración de la medición en sí, por lo que el esfuerzo tecnológico adicional es realmente limitado. Esa es una buena noticia para posibles aplicaciones prácticas ". Utilizando esta técnica, el grupo de NBI pudo medir la posición de su membrana con una precisión casi30% mejor de lo que permitiría el SQL. Esto marca un momento decisivo para las mediciones cuánticas de objetos mecánicos, destacando hasta dónde se ha avanzado el estado de la técnica y sugiere un camino brillante por delante. Sistemas opto-mecánicos como eluno estudiado aquí está preparado para continuar ayudando al desarrollo de técnicas relacionadas con la astronomía de ondas gravitacionales, al tiempo que aplica su sensibilidad extrema en otras arenas. Los dispositivos del laboratorio de Schliesser ya están siendo integren aplicaciones de detección de fuerza de última generación, donde pueden habilitar imágenes similares a MRI a escala nanométrica, tal vez imágenes de virus de gripe o HI individuales.
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Materiales proporcionado por Universidad de Copenhague . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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