Ekstremalnie dokładny pomiar

W Krajowym Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej (FAMO) w Toruniu grupa fizyków z UW i UMK, we współpracy z naukowcami z Oksfordu, przeprowadziła eksperyment, który pozwoli zwiększyć dokładność pomiarów do granic wyznaczonych fundamentalnymi cechami rzeczywistości określonymi przez prawa mechaniki kwantowej. Jego wyniki zostały opublikowane w czerwcowym wydaniu prestiżowego czasopisma naukowego „Nature Photonics” w artykule Experimental quantum-enhanced estimation of a lossy phase Shift. Współautorami tekstu są doktorzy Rafał Demkowicz-Dobrzański i Wojciech Wasilewski, dr hab. Konrad Banaszek, prof. UW z Wydziału Fizyki UW oraz mgr Marcin Kasprowicz, doktorant w Instytucie Fizyki UMK.

Aby przeprowadzić pomiar odległości, temperatury lub innej wielkości fizycznej, w kierunku badanego obiektu trzeba wysłać sondę. Może nią być np. fala świetlna, która w wyniku oddziaływania z obiektem zmienia się w określony sposób. Analizując te zmiany, naukowcy potrafią wydobyć informacje o cechach badanego obiektu. Problemy sprawia jednak kwantowa natura światła. Cząstki światła, czyli fotony, są emitowane w sposób przypadkowy, dlatego wynik badania bywa nieprecyzyjny. W eksperymencie przeprowadzonym w FAMO badacze wykorzystali jednak światło w sposób nietypowy.

Polscy naukowcy zaproponowali wykorzystanie zjawiska splątania kwantowego do poprawy precyzji pomiarów. „– Sztuka polegała na wytworzeniu par splątanych fotonów – mówi prof. Banaszek. Dodajmy, że zjawisko splątania kwantowego od lat bada rodzina gdańskich fizyków, profesorowie Ryszard, Paweł i Michał Horodeccy oraz najmłodszy z rodu dr Karol Horodecki. – Myśmy splątanie wykorzystali w praktyce do poprawy precyzji pomiarów – kontynuuje prof. Banaszek.

Splątanie kwantowe pojawia się, gdy w jednym procesie fizycznym powstają lub oddziałują pary obiektów kwantowych. Taka para ma zdefiniowany swój stan globalny, mimo że stany obu cząstek składowych pozostają nieokreślone. Układ zachowuje się jak całość nawet wtedy, gdy tworzące go cząstki są rozdzielone przestrzennie. – Dwa fotony splątane zachowują się jak jedna złożona cząstka – przybliża problem prof. Banaszek – co w tym wypadku oznacza zwiększenie energii fotonu. Im jest ona większa, tym krótsza stowarzyszona z nim długość fali i tym drobniejsze szczegóły jesteśmy w stanie rozróżnić. W ten sposób zjawiska towarzyszące splątaniu pozwalają poprawić precyzję pomiarów wielkości fizycznych.