Tutkijat ylittivät mikroaaltomittausten kvanttirajan

Aalto-yliopiston ja Jyväskylän yliopiston tutkijat ovat löytäneet uuden mikroaaltojen mittaustekniikan, joka mahdollistaa mittauksen kvanttirajalle ja jopa sen yli. Menetelmää voidaan hyödyntää kvanttilaskennassa tai gravitaatioaaltojen mittauksessa. Tulokset julkaistiin fysiikan alan arvostetuimpiin kuuluvassa julkaisussa Physical Review Letters 6.3.2017.

Kuinka heikon signaalin voi mitata?

Kvanttimekaanisen Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen mukaan havaitsija ei voi saada yhtä aikaa täysin tarkkaa tietoa sekä hiukkasen paikasta että sen liiketilasta, mikä asettaakin rajoituksen kaikille mittauksille. Kvanttimekaniikan teorian mukaan myös valo eli sähkömagneettiset aallot voidaan esittää hiukkasina, fotoneina, ja niiden mittausta rajoittaa kyseinen epätarkkuusperiaate. Ilman mittausten epätarkkuutta voisimme mitata mielivaltaisen pieniä signaaleja, ja esimerkiksi kännykkäverkot toimisivat kaikkialla maailmassa yhden ainoa tukiaseman välityksellä.

Tietoliikenteessä käytettävien radio- ja mikroaaltotaajuuksisten signaalien mittaustarkkuus riippuu pääosin mittareiden teknisistä rajoitteista ja tästä syystä niissä mittaus on paljon epätarkempi kuin mitä kvanttiraja vaatii. Mikroaaltomittausten kvanttiraja on kuitenkin saavutettu kvanttilaskennassa käytettävillä suprajohtavilla mikropiireillä. Jokin aika sitten Aalto-yliopiston ja Jyväskylän yliopiston ryhmät pääsivät jo hyvin lähelle yhdistämällä mikroaaltoresonaattoreita värähteleviin nanorumpukalvoihin.

Kvanttirajan tuolle puolen nanorummun avulla

Nyt julkaistussa työssä käytettiin uudella tavalla nanomekaanisia värähtelijöitä eli nanorumpuja, mikä mahdollistaa jopa kvanttirajan yli menevän mittauksen. Hiukkaselle tämä olisi mahdollista mittaamalla vain joko paikkaa tai liiketilaa, ja jättämällä huomiotta kaikki informaatio toisesta ominaisuudesta. ”Valoaallolle vastaava mittaus voidaan toteuttaa ottamalla huomioon vain osa aallosta, ja jättämällä rauhaan toinen osa”, selittää nanorumpukalvoilla mittauksen tehnyt tutkijatohtori Caspar Ockeloen-Korppi.

Tutkimusryhmät ovat patentoineet uuden menetelmän. Tutkimusta johtanut professori Mika Sillanpää, korostaa mahdollisia sovellusalueita: ”Menetelmää voidaan käyttää mittaamaan hyvin heikkoja signaaleja vaikkapa kvanttilaskennassa tai gravitaatioaaltojen mittauksessa.”

Ockeloen-Korpin ja Sillanpään lisäksi tutkimusryhmään kuuluivat Juha-Matti Pirkkalainen ja Erno Damskägg. Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksesta mukana olivat Tero Heikkilä ja Francesco Massel. Työ tehtiin Suomen Akatemian Matalien lämpötilojen kvantti-ilmiöiden ja komponenttien huippuyksikössä ja sitä rahoitti myös Euroopan tiedeneuvosto.

Lisätietoa:

• Artikkeli: ”Noiseless Quantum Measurement and Squeezing of Microwave Fields Utilizing Mechanical Vibrations”, Physical Review Letters 118, 103601 (2017) https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.103601
• Mika Sillanpää, Mika.Sillanpaa@aalto.fi,  puh. +358 50 3447 330
• Tero Heikkilä, Tero.T.Heikkila@jyu.fi, puh. +358 40 8054804