Kwantumsensoren: verbazingwekkende gegevens van „spookachtige“ wetenschap

Dit is het derde artikel in een vierdelige serie over hoe kwantumverstrengeling de technologie verandert en hoe we het universum om ons heen begrijpen. In de vorige artikelen hebben we besproken wat kwantumverstrengeling is en hoe we het kunnen gebruiken om een ​​revolutie teweeg te brengen in de manier waarop we communiceren. In dit artikel bespreken we kwantumsensoren, hoe de microscopische wereld ons in staat stelt de macroscopische wereld met verbazingwekkende precisie te meten, en waarom dit ertoe doet.

Toen je vanmorgen op je weegschaal stapte, heb je waarschijnlijk je gewicht nauwkeurig gemeten binnen ongeveer een tiende van een pond. Grote kans dat dat alles is wat je nodig hebt. Maar er zijn momenten dat u iets nauwkeuriger wilt wegen, zoals een poststuk. De weegschaal op het postkantoor weegt een envelop fijner dan je weegschaal. Dit is precisie en het is een belangrijke factor bij het meten.

Er zijn gevallen waarin uiterst nauwkeurige metingen van cruciaal belang zijn. Als u weet hoe u de locatie nauwkeurig kunt meten, kan GPS u helpen bij het navigeren naar het postkantoor. Met nog nauwkeurigere metingen kan een ruimtevaartuig op Mars landen.

Verbeterde metingen kunnen ons helpen meer te doen en meer te begrijpen. Dit is waar kwantumsystemen en verstrengeling kunnen worden gebruikt. Ze kunnen ons helpen een omgeving nauwkeurig waar te nemen en deze met ongeëvenaarde precisie te meten.

Decoherentie is een groot probleem voor kwantumcommunicatie. Het gebeurt wanneer kwantumdeeltjes interageren met iets in hun omgeving – bijvoorbeeld de rand van een glasvezelkabel – waardoor hun golffunctie instort.

Decherence vindt plaats omdat kwantumtoestanden intens gevoelig zijn voor hun omgeving. Dit is een probleem voor kwantumcommunicatie, maar het is eigenlijk een voordeel als het gaat om detectie. Hun reacties op kleine veranderingen in de omgeving zijn precies wat kwantumsensoren zo nauwkeurig maakt, waardoor ze een precisie kunnen bereiken waarvan we nooit hadden durven dromen dat die mogelijk zou zijn.

Een kwantumsensor kijkt in wezen hoe een deeltje interageert met zijn omgeving. Er zijn verschillende soorten kwantumsensoren die allerlei dingen kunnen meten: magnetische velden, tijd, afstand, temperatuur, druk, rotatie en tal van andere waarneembare zaken. Naarmate we meer in detail treden over hoe kwantumsensoren werken, kunnen we een glimp opvangen van hun kracht en hoe ze ons leven kunnen beïnvloeden.

Diep in de grond kijken

In het origineel Jurassic Park, gebruikten paleontologen een niet-gedefinieerde, fictieve technologie om een ​​beeld samen te stellen van dinosaurusbotten die zich onder de grond verbergen. De scène is een beetje belachelijk, maar het helpt ons de impact te begrijpen van een hulpmiddel waarmee we ondergronds kunnen kijken zonder te graven. Een dergelijke technologie helpt ons misschien niet om verrassend intacte skeletten van dinosauriërs te vinden, maar het kan ons wel helpen om tal van andere dingen te lokaliseren: verlaten mijnschachten, pijpen of kabels, watervoerende lagen en allerlei ondergrondse onregelmatigheden. Weten waar dingen ondergronds zijn voordat ze beginnen te graven, kan bedrijven helpen miljoenen dollars te besparen tijdens de bouw van alles, van metro’s tot wolkenkrabbers.

Hoe kunnen atomen helpen? Net als de zon en de aarde hebben de dingen om ons heen een aantrekkingskracht – zij het een veel kleinere. Dichte materie zoals een granieten ader zou een grotere aantrekkingskracht hebben dan een lege metrotunnel. Het verschil kan klein zijn als het vanaf de grond wordt gemeten, maar een sensor die nauwkeurig genoeg is, zou het kunnen detecteren.

Met behulp van atomen als kwantumsensoren illustreerde een groep aan de universiteit van Birmingham hoe nauwkeurig dergelijke sensoren kunnen zijn. Ze plaatsten twee atomen in een zwaartekrachtsveld en gaven er een een kleine „kick“ naar boven. Dit atoom viel terug naar beneden onder de zwaartekracht. Omdat deeltjes als golven kunnen werken, zitten de twee atomen elkaar in de weg, waardoor een interferentiepatroon ontstaat. Twee toppen van de atoomgolven kunnen op één lijn liggen, wat constructieve interferentie veroorzaakt. Als alternatief kan een kam uitgelijnd zijn met een trog, wat destructieve interferentie veroorzaakt. Een klein verschil in zwaartekracht zou het interferentiepatroon van de atomen veranderen, waardoor minieme metingen in het zwaartekrachtveld mogelijk zouden zijn.

Dit kan ons niet alleen laten weten wat zich onder onze voeten bevindt, maar het kan ons ook helpen voorspellen wanneer vulkanen zullen uitbarsten. Magma dat een lege kamer onder een vulkaan vult, zal de lokale zwaartekracht veranderen. Sensoren die over een vulkaan zijn verspreid, kunnen voelen wanneer een kamer zich vult en hopelijk waarschuwen ze vooraf voor een uitbarsting.

Er is geen tijd zoals kwantumtijd

Atoomklokken zijn een ander voorbeeld van kwantumsensoren die extreme precisie kunnen genereren. Deze klokken vertrouwen op de kwantumaard van atomen. Om te beginnen hebben alle elektronen in een atoom enige energie. Stel je voor dat het elektron op een bepaalde afstand om de kern draait. Het elektron kan alleen ronddraaien in discrete toestanden, gescheiden door zeer specifieke energieniveaus. Om van het ene energieniveau naar het andere te gaan, kan het elektron ofwel een foton met een precieze frequentie absorberen om omhoog te bewegen, of een foton uitzenden om naar beneden te gaan. Een atoomklok werkt wanneer een elektron zijn energietoestand rond het atoom verandert.

Op dit moment wordt de standaardtijd van de Verenigde Staten bepaald door een cesium-atoomklok van het National Institute of Standards and Technology. Deze klok is zo nauwkeurig dat hij over 100 miljoen jaar geen seconde wint of verliest. Om de tijd zo nauwkeurig te meten, gebruikt de klok een laserstraal om cesiumatomen te overladen met extreem nauwkeurige lichtfrequenties, waardoor hun elektronen naar hogere niveaus worden geschopt. Door de precieze kalibratie van de lichtfrequentie van de laser kan tijd worden verkregen. (Vergeet niet dat frequentie het omgekeerde van tijd is.)

We kunnen het nog beter doen als onze atomen niet op zichzelf werken, maar in plaats daarvan met elkaar verstrengeld zijn. In 2020 maakte een team van MIT een atoomklok met verstrengelde atomen. De nauwkeurigheid van deze klok is werkelijk verbluffend: hij verliest slechts 100 milliseconden gedurende de leeftijd van het heelal.

Van heel klein tot heel groot

Met kwantumsensoren kunnen onze telescopen en microscopen ons meer laten zien.

Als we denken aan het verkennen van het heelal, stellen we ons normaal gesproken een telescoop voor die fotonen verzamelt – of het nu optisch, infrarood of radio is. Maar we kunnen het heelal ook verkennen met behulp van zwaartekrachtgolven.

Sneller slimmer: de Big Think nieuwsbrief

Schrijf je in voor contra-intuïtieve, verrassende en impactvolle verhalen die elke donderdag in je inbox worden bezorgd

Wanneer een paar zwarte gaten samensmelten of een supernova explodeert, wordt het weefsel van ruimte en tijd zelf uitgerekt en samengeperst als rimpelingen in een vijver. We kunnen deze rimpelingen detecteren met behulp van een interferometer, die de afstand precies vergelijkt voor twee loodrechte richtingen. Om dit te meten, stuurt het instrument een lichtstraal langs elke as. De bundels kaatsen tegen spiegels, keren terug naar de bron en recombineren, waardoor een interferentiepatroon ontstaat. Als een rimpel van een zwaartekrachtgolf de interferometer in de ene richting passeert, kan deze enigszins worden uitgerekt, terwijl deze van de andere kant wordt samengedrukt, waardoor het interferentiepatroon verandert. Dit verschil is klein, maar het zou wijzen op de passage van een zwaartekrachtgolf.

Ook hier kunnen verstrengelde fotonen een voordeel bieden. Het meetvermogen van de interferometer wordt beperkt door het verschil in aankomsttijden van fotonen binnen de lichtstraal. Simpel gezegd, sommige fotonen komen eerder bij de detector aan dan andere. Door verstrengelde fotonen te combineren en een techniek genaamd „photon squeezing“ met het Heisenberg-onzekerheidsprincipe, kunnen we de spreiding in de aankomsttijden van deze fotonen verminderen ten koste van een ander waarneembaar object. Met deze methode kunnen interferometers zoals LIGO en Virgo trillingen detecteren die 100.000 keer kleiner zijn dan een atoomkern.

Knijpen in licht kan ook helpen de gevoeligheid van microscopen te verbeteren. Om een ​​microscoop te laten werken, moet licht het onderwerp verlichten. Terwijl dat licht van het monster weerkaatst en terugkeert naar de microscoop, introduceert willekeur in de aankomsttijd van het foton ruis. Normaal gesproken kan deze opnameruis, zoals het wordt genoemd, worden verminderd door de helderheid te verhogen. Maar op een gegeven moment beschadigt de intensiteit van het licht het monster, vooral als het biologisch weefsel is. Een team van de Universiteit van Queensland toonde aan dat het gebruik van verstrengelde fotonen en het samenknijpen ervan de gevoeligheid van de microscoop verhoogde zonder het monster te braden.

Meten gaat over het begrijpen van onze omgeving op een dieper niveau. Of het nu gaat om temperatuur, elektrisch veld, druk of tijd, dergelijke metingen gaan over meer dan cijfers. Ze gaan over het begrijpen van wat die cijfers betekenen en hoe je kleine veranderingen kunt gebruiken. Quantumsensoren kunnen worden gebruikt in MRI’s en bij het navigeren zonder GPS-systemen. Ze kunnen zelfrijdende auto’s helpen hun omgeving beter te voelen en wetenschappers voorspellen vulkaanuitbarstingen. Kwantumverstrengeling blijft misschien mysterieus, maar heeft ook een heel praktische kant.

Kommentar verfassen

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert