Kvantegennembrud fra DTU Fysik

Squeezed lys forbedrer feedback køling betragteligt

Som de første nogensinde er det lykkedes kvanteforskere på DTU Fysik at gennemføre et eksperiment, der demonstrerer at squeezed lys kan gøre feedback køling mere effektiv, end det er muligt med almindelig laserlys. Det er et vigtigt skridt i retning af at kunne manipulere mekaniske objekters kvantetilstande i eksperimenter ved stuetemperatur.

Squeezed lys: Heisenbergs ubestemthedsrelation sætter en grænse for, hvor præcist man kan kende en laserstråles amplitude og fase samtidig. Usikkerhederne på de to parametre kan godt være vidt forskellige, men produktet af dem vil altid være større end en vis grænse.

Ved at squeeze lyset introducerer man kvantekorrelationer imellem fotonerne og det er derved muligt at kanalisere langt det meste af usikkerheden over på enten amplituden eller fasen, afhængig af hvilken parameter det er relevant at måle i det pågældende eksperiment. Ved at squeeze lysets fase kan man således udføre interferometriske målinger med en sensitivitet der er langt bedre end med sædvanlig laserlys.

Det er velkendt, at man kan køle vibrationerne ud af en mekanisk oscillator – et dagligdagseksempel kunne være en gynge - ved hjælp af et dæmpende feedback. Men de gennemførte eksperimenter påviser, at effektiviteten af denne teknik kan øges betragteligt når moderne kvanteteknologi tages i anvendelse i form af squeezed lys.

”Feedback køling kan sammenlignes med den mekanisme, vi kender fra eksempelvis en linedanser, der justerer og finder balancen på baggrund af viden om kroppens tyngdepunkt og de løbende input fra linens svingninger,” forklarer Ulrik Busk Hoff. ”Ved hjælp af kvanteteknologien kan vi så at sige skærpe linedanserens sanser og optimere hendes reaktioner, så hun effektivt kan minimere sine egne og linens udsving”.

”Det succesfulde eksperiment har givet os mod på at undersøge, om vi kan anvende feedback teknologien på andre mekaniske objekter og i mere komplicerede eksperimenter. Og så er det vellykkede udfald første skridt på vores rejse frem mod at kunne gennemføre eksperimenter, som gør det muligt at bringe et mekanisk objekt i en samtidig tilstand af to vidt forskellige udsving. Det er den østrigske forsker Erwin Schrödingers gamle tankeeksperiment fra 1935 om, at en kat både kan være levende og død samtidig, som vi vil teste – dog ved hjælp af en lille bitte trampolin, som vi i laboratoriet vil forsøge at få til at bue både opad og nedad samtidig. Lykkes det, står vi med et væsentlig bidrag til grundforskningen i kvanteteknologi, som Danmark i disse år satser stort på,” forklarer Ulrich Busk Hoff.

Konkret blev der i eksperimenterne arbejdet med en lille rund resonator, mikrotoroid, blot 60 um stor. Mikrotoroidens vibrationer blev målt både med almindelig laserlys og med inddragelse af kvanteteknologi. Målingerne gav det real-time signal, der blev brugt til at påtrykke et feedback og dermed køle objektet. Det blev vist, at temperaturen af det mekaniske objekt kunne reduceres med 140 grader i forhold til omgivelserne ved stuetemperatur, når der blev anvendt squeezed lys. Det er en forbedring på 12% i forhold til hvad der kunne opnås med sædvanlig laserlys.

Kvanteteknologi er et af fremtidens store strategiske forskningssatsninger ikke blot i Danmark, men også i EU. Vi har her i landet en førende position på flere områder, som på sigt kan få betydning for eksempelvis sikker kryptering af data, bidrag til udvikling af meget følsomme sensorer og mere nøjagtig medicinsk diagnostik.

”Vi er på DTU Fysik blandt de førende, når det kommer til at squeeze lys og har bl.a. den tidligere ”verdensrekordindehaver” ansat. Det er derfor også dejligt, at vi er de første i verden, der lykkes med eksperimentet”, tilføjer Ulrich Busk Hoff.

Pressemeddelelse fra DTU Fysik - 29.11.2016