Eksperyment polskich i brytyjskich naukowców

Naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego, Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu i Uniwersytetu w Oksfordzie przeprowadzili w Toruniu eksperyment, który pozwoli zwiększyć dokładność pomiarów do granic wyznaczonych  fundamentalnymi cechami rzeczywistości.  "Wykorzystaliśmy efekty kwantowe i zmusiliśmy fotony - za pomocą których dokonujemy pomiarów - aby współpracowały ze sobą" - tłumaczy dr Rafał Demkowicz-Dobrzański z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, instytucji członkowskiej Narodowego Laboratorium Technologii Kwantowych (NLTK). 

Eksperyment, wykorzystujący femtosekundowe impulsy podczerwone wytwarzane przez laser tytanowo-szafirowy, przeprowadzono w Krajowym Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej FAMO w Toruniu. Jego wyniki zostały opublikowane w najnowszym wydaniu prestiżowego czasopisma naukowego "Nature Photonics".

Jak wyjaśnia Anna Żuchowska z NLTK, od przeprowadzania coraz dokładniejszych pomiarów zależy rozwój współczesnej nauki i inżynierii. Wyniki doświadczenia będzie można zastosować m.in. przy tworzeniu dokładniejszych wzorców długości, precyzyjniejszych zegarów atomowych i w interferometrach grawitacyjnych - wyrafinowanych przyrządach pomiarowych, za pomocą których fizycy starają się wykryć fale grawitacyjne.

Prof. Konrad Banaszek z Wydziału Fizyki UW zaznacza jednak, że opracowanej technologii nie będzie można wykorzystać od razu. "Pokazujemy zasadę fizyczną pozwalającą poprawić dokładność pomiarów. Dopiero przyszłe badania wykażą, w jakim stopniu efekt ten będzie można wykorzystać w praktyce i jak zwiększy się dokładność pomiarów" - podkreśla prof. Banaszek.

Żuchowska tłumaczy, że aby przeprowadzić pomiar - odległości, temperatury lub innej wielkości fizycznej - w kierunku badanego obiektu trzeba zawsze wysłać sondę, na przykład falę świetlną. W wyniku oddziaływania z obiektem fala zmienia się w pewien sposób. Analizując zmiany fali, naukowcy potrafią wydobyć informację o cechach badanego obiektu.

"Zmiany zachodzące w falach świetlnych można precyzyjnie obserwować dzięki zjawisku interferencji (nakładania się fal-PAP). Gdy dwie fale tej samej długości się nakładają, ich grzbiety mogą się ze sobą regularnie spotykać. Dochodzi wówczas do wyraźnego wzmocnienia sygnału. Gdy z kolei grzbiet jednej fali trafi w dolinę drugiej, obie fale się zniosą i obserwator nie zobaczy nic. W rezultacie tego procesu powstaje układ jasnych i ciemnych pasków - słynne prążki interferencyjne. Ich wygląd zmieni się wyraźnie, gdy jedna z fal spóźni się względem drugiej, np. wskutek przebycia odrobinę dłuższej drogi (co może być spowodowane choćby delikatnym przesunięciem lustra, od którego się wcześniej odbijała, wzrostem temperatury próbki itp.)" - tłumaczy przedstawicielka NLTK.

Za pomocą interferencji można zarejestrować nawet niewielkie przesunięcia grzbietów fal względem siebie.

"Oznacza to, że możemy obserwować zmiany odległości znacznie mniejsze od długości samej fali" - mówi prof. Banaszek. Szczególną popularnością na świecie cieszy się interferometria optyczna, która wykorzystuje światło widzialne. Jest ono doskonałym narzędziem badawczym, bo stosunkowo łatwo je rejestrować, a długość fal jest bardzo mała - rzędu ułamków mikrometra (mikrometr to jedna milionowa metra).

Jak wyjaśnia Żuchowska, problemy przy pomiarach sprawia jednak kwantowa natura światła. Kwanty światła, czyli fotony, są emitowane w sposób przypadkowy. Gdy jest ich bardzo dużo, detektory interferometrów rejestrują sygnał o mniej więcej stałej sile. Jednak gdy fotonów jest mało, może się zdarzyć, że do detektora raz dotrze trochę więcej fotonów, raz trochę mniej. Z tego powodu w rejestrowanym sygnale pojawiają się fluktuacje (wahania przypadkowe) nazywane szumem śrutowym. W praktyce szum śrutowy jest jedną z największych przeszkód w zwiększaniu dokładności pomiarów.

Pomiary stają się precyzyjniejsze, jeśli można wykorzystać tzw. splątanie kwantowe - zauważa Żuchowska. Pojawia się ono, gdy w jednym procesie fizycznym powstają lub oddziałują pary obiektów kwantowych, np. fotonów. Dwa fotony są splątane, gdy nie jest możliwy pełny opis jednego z nich bez odwoływania się do drugiego. Taka para fotonów ma zdefiniowany swój stan globalny mimo że stany obu cząstek składowych pozostają nieokreślone. Układ splątanych fotonów zachowuje się więc jako całość nawet gdy tworzące go cząstki są rozdzielone przestrzennie.

"Wykorzystaliśmy splątanie w celu wytworzenia specjalnych stanów światła" - wyjaśnia dr Rafał Demkowicz-Dobrzański. "Zamiast jednego fotonu, który przelatuje obiema drogami w interferometrze, używamy dwóch splątanych fotonów, tworzących nierozłączną parę" - dodaje.

Jak tłumaczy, taka para w pewien sposób zachowuje się jak jeden foton i interferuje sama ze sobą. Obliczenia wskazują, że dokładność pomiaru jest wówczas lepsza od ograniczenia wynikającego z istnienia szumu śrutowego. Wytworzone stany światła są przy tym stosunkowo odporne na zaburzenia często pojawiające się podczas rzeczywistych pomiarów, np. na gubienie fotonów, które niekiedy są absorbowane wewnątrz badanej próbki.

Teoretycznie precyzyjny pomiar można przeprowadzić bez sięgania po subtelne efekty kwantowe, pod warunkiem, że światło będzie bardzo mocne. Silna wiązka świetlna może jednak zniszczyć badany obiekt i doprowadzić do rozgrzania, stopienia, a nawet spalenia elementów układu pomiarowego. Wykorzystanie efektów kwantowych pozwala zwiększyć precyzję pomiarów bez konieczności sięgania po duże ilości energii. EKR

PAP - Nauka w Polsce