Dette er den tredje artikkelen i en firedelt serie om hvordan kvanteforviklinger endrer teknologi og hvordan vi forstår universet rundt oss. I de forrige artiklene diskuterte vi hva kvanteforviklinger er og hvordan vi kan bruke den til revolusjonere måten vi kommuniserer på. I denne artikkelen diskuterer vi kvantesensorer, hvordan den mikroskopiske verden tillater oss å måle den makroskopiske verden med utrolig presisjon, og hvorfor dette betyr noe.
Da du tråkket på badevekten din i morges, målte du sannsynligvis vekten din nøyaktig innenfor omtrent en tidel av et pund. Sjansen er stor for at det er alt du trenger. Men det er tider du ønsker å veie noe med mer presisjon, som en post. Vekten på postkontoret vil veie en konvolutt finere enn badevekten din ville gjort. Dette er presisjon, og det er en viktig faktor i måling.
Det er tilfeller der ekstremt presise målinger er kritiske. Når du vet hvordan du måler posisjon nøyaktig, kan GPS hjelpe deg med å navigere til postkontoret. Enda mer presise målinger lar et romfartøy lande på Mars.
Forbedrede målinger kan hjelpe oss å gjøre mer og forstå mer. Det er her kvantesystemer og sammenfiltring kan brukes. De kan hjelpe oss med å sanse et miljø nøye og måle det med uovertruffen presisjon.
Dekoherens er et stort problem for kvante kommunikasjon. Det skjer når kvantepartikler samhandler med noe i miljøet deres – for eksempel kanten av en fiberoptisk kabel – som får bølgefunksjonen deres til å kollapse.
Dekoherens skjer fordi kvantetilstander er intenst følsomme for miljøet. Dette er et problem for kvantekommunikasjon, men det er faktisk en fordel når det kommer til sansing. Deres reaksjoner på små endringer i miljøet er nettopp det som gjør kvantesensorer så nøyaktige, som lar dem nå en presisjon vi aldri før hadde drømt om skulle være mulig.
En kvantesensor overvåker i hovedsak hvordan en partikkel samhandler med omgivelsene. Det finnes kvantesensorer av forskjellige typer som kan måle alle slags ting – magnetiske felt, tid, avstand, temperatur, trykk, rotasjon og en rekke andre observerbare. Når vi går mer i detalj om hvordan kvantesensorer fungerer, kan vi få et glimt av kraften deres og hvordan de kan påvirke livene våre.
Ser dypt ned i bakken
I originalen Jurassic Parkpaleontologer brukte noe udefinert, fiktiv teknologi å komponere et bilde av dinosaurbein som gjemmer seg under jorden. Scenen er litt latterlig, men det hjelper oss å forstå virkningen av et verktøy som lar oss se under jorden uten å grave. En slik teknologi hjelper oss kanskje ikke med å finne overraskende intakte dinosaurskjeletter, men den kan hjelpe oss med å finne en rekke andre ting – forlatte gruvesjakter, rør eller kabler, akviferer og alle slags underjordiske uregelmessigheter. Å vite hvor ting er under jorden før de begynner å grave, kan hjelpe selskaper å spare millioner av dollar under bygging av alt fra t-bane til skyskrapere.
Hvordan kan atomer hjelpe? Akkurat som solen og jorden, har tingene rundt oss en gravitasjonskraft – om enn en mye mindre. Tett materie som en granittåre ville ha en større gravitasjonskraft enn en tom T-banetunnel. Forskjellen kan være liten når den måles fra over bakken, men en nøyaktig nok sensor kan oppdage den.
Ved å bruke atomer som kvantesensorer, en gruppe ved universitetet i Birmingham illustrerte hvor presise slike sensorer kan være. De plasserte to atomer i et gravitasjonsfelt, og ga det ene et lite “kick” oppover. Dette atomet falt tilbake under tyngdekraften. Fordi partikler kan fungere som bølger, kommer de to atomene i veien for hverandre og skaper et interferensmønster. To topper av atombølgene kan justeres, og forårsake konstruktiv interferens. Alternativt kan en kam innrette seg med et trau, og forårsake ødeleggende forstyrrelser. En liten forskjell i tyngdekraften vil endre interferensmønsteret til atomene, noe som muliggjør små målinger i gravitasjonsfeltet.
Ikke bare kan dette fortelle oss hva som er under føttene våre, men det kan også hjelpe oss å forutsi når vulkaner vil bryte ut. Magma som fyller et tomt kammer under en vulkan vil endre den lokale gravitasjonen. Sensorer fordelt over en vulkan kan kanskje registrere når et kammer fylles, og forhåpentligvis gi forhåndsvarsel før et utbrudd.
Det er ingen tid som kvantetid
Atomklokker er et annet eksempel på kvantesensorer som kan generere ekstrem presisjon. Disse klokkene er avhengige av atomenes kvantenatur. For det første har alle elektronene i et atom noe energi. Se for deg at elektronet går i bane rundt kjernen i en viss avstand. Elektronet kan bare gå i bane i diskrete tilstander atskilt av svært spesifikke energinivåer. For å skifte fra ett energinivå til et annet, kan elektronet enten absorbere et foton med en presis frekvens for å bevege seg opp, eller sende ut et foton for å bevege seg ned. En atomklokke fungerer når et elektron endrer sin energitilstand rundt atomet.
Akkurat nå er standardtiden for USA bestemt av en cesium atomklokke kl National Institute of Standards and Technology. Denne klokken er så nøyaktig at den verken vil vinne eller miste et sekund på 100 millioner år. For å måle tid med en slik nøyaktighet, bruker klokken en laserstråle for å overgi cesiumatomer med ekstremt presise lysfrekvenser, og sparker elektronene deres til høyere nivåer. Den nøyaktige kalibreringen av laserens lysfrekvens er det som gjør det mulig å oppnå tid. (Husk at frekvens er det motsatte av tid.)
Vi kan gjøre det enda bedre hvis atomene våre ikke fungerer alene, men i stedet er viklet inn i hverandre. I 2020, a team ved MIT laget en atomklokke ved hjelp av sammenfiltrede atomer. Nøyaktigheten til denne klokken er virkelig imponerende: Den taper bare 100 millisekunder over universets alder.
Fra de helt små til de helt store
Kvantesensorer kan tillate våre teleskoper og mikroskoper å vise oss mer.
Normalt når vi tenker på å utforske universet, ser vi for oss et teleskop som samler fotoner – enten de er optiske, infrarøde eller radio. Men vi kan også utforske universet ved hjelp av gravitasjonsbølger.
Abonner for kontraintuitive, overraskende og virkningsfulle historier levert til innboksen din hver torsdag
Når et par sorte hull smelter sammen eller en supernova eksploderer, strekkes selve stoffet av rom og tid og klemmes som krusninger på en dam. Vi kan oppdage disse krusningene ved hjelp av et interferometer, som nøyaktig sammenligner avstanden for to vinkelrette retninger. For å måle dette sender instrumentet en lysstråle ned hver akse. Strålene spretter fra speil, går tilbake til kilden og rekombinerer, og skaper et interferensmønster. Hvis en krusning fra en gravitasjonsbølge passerer interferometeret i én retning, kan den bli strukket litt, mens den fra den andre vil bli klemt sammen, noe som får interferensmønsteret til å endre seg. Denne forskjellen er liten, men det vil indikere at en gravitasjonsbølge passerer.
Her kan igjen sammenfiltrede fotoner tilby en fordel. Interferometerets evne til å måle er begrenset av forskjellen i ankomsttider for fotoner innenfor lysstrålen. Enkelt sagt, noen av fotonene kommer tidligere til detektoren enn andre. Ved å kombinere sammenfiltrede fotoner og en teknikk kalt “fotonklemming” med Heisenberg-usikkerhetsprinsippet, kan vi redusere spredningen i disse fotonenes ankomsttider på bekostning av en annen observerbar. Ved å bruke denne metoden kan interferometre som LIGO og Jomfruen oppdage vibrasjoner 100 000 ganger mindre enn en atomkjerne.
Å klemme lys kan også bidra til å forbedre følsomheten til mikroskoper. For at et mikroskop skal fungere, må lys belyse motivet. Når lyset spretter av prøven og går tilbake til mikroskopet, introduserer tilfeldighet i fotonens ankomsttid støy. Normalt kan denne skuddstøyen, som den kalles, reduseres ved å øke lysstyrken. Men på et tidspunkt skader lysintensiteten prøven, spesielt hvis det er biologisk vev av noe slag. Et team ved University of Queensland viste det ved hjelp av sammenfiltrede fotoner og klemme dem økte følsomheten til mikroskopet uten å steke prøven.
Måling handler om å forstå miljøet vårt på et dypere nivå. Enten de er av temperatur, elektrisk felt, trykk eller tid, handler slike målinger om mer enn tall. De handler om å forstå hva disse tallene betyr og hvordan man bruker små endringer. Kvantesensorer kan brukes i MR-er og i navigering uten GPS-systemer. De kan hjelpe selvkjørende biler føler bedre miljøet sitt og forskere spår vulkanutbrudd. Kvanteforviklinger kan forbli mystiskmen den har en veldig praktisk side også.