Οι μηχανικοί μετατροπείς (αισθητήρες που μετατρέπουν τις κινήσεις του περιβάλλοντος σε ηλεκτρικά σήματα) χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων μέχρι την απεικόνιση χημικών δεσμών. Ωστόσο, η ευαισθησία τους περιοριζόταν πάντα από τους ίδιους τους νόμους της κβαντομηχανικής.
Τώρα, μια ερευνητική ομάδα από το Πολυτεχνείο της Ζυρίχης (ETH Zurich) βρήκε τρόπο να ξεπεράσει αυτό το «ταβάνι» χρησιμοποιώντας ένα κβαντικό τέχνασμα που ονομάζεται «στρίμωγμα» (squeezing), ανοίγοντας ένα νέο κεφάλαιο στις μετρήσεις ακριβείας.
Το εμπόδιο: Ο κβαντικός θόρυβος
Οι μηχανικοί αισθητήρες μπορούν να καταγράψουν κινήσεις σε νανοκλίμακα. Όμως, στις πολύ μικρές κλίμακες, η ευαισθησία τους πέφτει πάνω στην αρχή της αβεβαιότητας του Χάιζενμπεργκ.
Σύμφωνα με αυτήν, είναι αδύνατο να γνωρίζουμε ταυτόχρονα τη θέση και την ορμή ενός σωματιδίου με απόλυτη ακρίβεια. Ακόμα και ένα τέλεια απομονωμένο αντικείμενο παρουσιάζει μια συνεχή, απρόβλεπτη κίνηση. Αυτός ο «θόρυβος μηδενικού σημείου» (zero-point noise) δημιουργεί ένα απροσπέλαστο όριο για το πόσο αδύναμο μπορεί να είναι ένα σήμα ώστε να το εντοπίσουμε.
Η λύση: Το κβαντικό στρίμωγμα (Squeezing)
Η ομάδα του ETH Zurich εκμεταλλεύτηκε μια λεπτομέρεια της αρχής της αβεβαιότητας: η αρχή δεν απαιτεί η αβεβαιότητα της θέσης και της ορμής να είναι ίσες· απαιτεί μόνο το γινόμενό τους να μην πέφτει κάτω από ένα ελάχιστο όριο.
Όταν μια κβαντική κατάσταση «στριμώχνεται», η αβεβαιότητα ανακατανέμεται. Μειώνεται στη μία μεταβλητή (π.χ. στην ορμή) και αυξάνεται αναγκαστικά στην άλλη (στη θέση).
Η διαδικασία που ακολούθησαν οι ερευνητές:
- Παγίδευση: Αιώρησαν ένα σωματίδιο πυριτίου μεγέθους μόλις 100 νανομέτρων μέσα σε μια δέσμη λέιζερ, σε θάλαμο υπερυψηλού κενού και σε θερμοκρασία κοντά στο απόλυτο μηδέν.
- Στρίμωγμα: Χαλαρώνοντας για ελάχιστα δευτερόλεπτα την παγίδα του λέιζερ, ανάγκασαν την αβεβαιότητα της ορμής του σωματιδίου να συρρικνωθεί (να στριμωχτεί), ενώ η αβεβαιότητα της θέσης του μεγάλωσε.
- Το σήμα: Έδωσαν ένα μικροσκοπικό ηλεκτρικό «λάκτισμα» (σήμα) στο σωματίδιο.
- Αντί-στρίμωγμα: Επανέφεραν την παγίδα στην αρχική της κατάσταση, αντιστρέφοντας τη διαδικασία. Αυτό το βήμα λειτούργησε ως μεγεθυντικός φακός, ενισχύοντας το σήμα του λακτίσματος ξεκάθαρα πάνω από τον κβαντικό θόρυβο.
Σπάζοντας το κβαντικό όριο
Μέχρι σήμερα, για να εντοπιστεί ένα τόσο αδύναμο σήμα, οι επιστήμονες έπρεπε να επαναλάβουν το πείραμα εκατοντάδες φορές και να βγάλουν τον μέσο όρο. Με τη νέα μέθοδο, η ομάδα κατάφερε να εντοπίσει δυνάμεις μικρότερες από τον ίδιο τον κβαντικό θόρυβο του σωματιδίου με μία μόνο μέτρηση.
Η τεχνολογία αυτή ανοίγει τον δρόμο για την ανίχνευση φαινομένων που παρέμεναν άπιαστα, όπως οι συγκρούσεις με σωματίδια σκοτεινής ύλης ή η εκπομπή σπάνιων σωματιδίων κατά τη διάρκεια πυρηνικών διασπάσεων.
