Tarkempia mittauksia mutkan kautta

Taiteilijan kuvaus ilmiöstä, jota kutsutaan stokastiseksi resonanssiksi. Tutkijat tutkivat tätä tekniikkaa sovellettavaksi sitä antureihin havaitsemaan signaalit, jotka ovat liian heikkoja muuten kaapattaviksi.

Kohinan lisääminen heikon signaalin kasvattamiseksi on ilmiö, joka on yleinen eläinmaailmassa mutta epätavallista ihmisen tekemissä anturoinneissa.

Nyt Penn State Uiversityn tutkijat ovat lisänneet pienen määrän taustakohinaa tehostaakseen signaaleja, jotka ovat liian heikkoja tavallisten antureiden havaittavaksi.

"Tämä ilmiö on jotain, jota tavataan usein luonnossa", sanoo apulaisprofessori Saptarshi Das. "Esimerkiksi mutaisissa vesissä elävä melakala (paddlefish) ei löydä syötävää eli Daphnia fytoplanktonia näköaistillaan. Melakalalla on sähköisiä reseptoreita, jotka voivat tunnistaa Daphniasta tulevan erittäin heikon sähköisen signaalin jopa 50 metrin etäisyydeltä. Jos lisää vähän kohinaa, se voi löytää Daphnian 75 metristä tai jopa 100 metristä."

Tutkijoiden hyödyntämä stokastinen resonanssi on ilmiö, jossa heikko signaali, joka on anturin havaitsemisrajan alapuolella, voidaan havaita rajallisen ja sopivan määrän kohinan läsnä ollessa", kertoo jatko-opiskelija Akhil Dodda.

Tutkimuksessaan tutkijat osoittavat tämän tekniikan ensimmäisen käytön alle havaintokynnyksen olevan fotonisen signaalin havaitsemiseksi.

Tekniikkaa voidaan soveltaa esimerkiksi resursseiltaan rajallisissa ympäristöissä tai meren alla, missä halutaan tarkkailla hyvin heikkoja signaaleja. Sitä voidaan käyttää myös tulivuorialueilla tai havaitsemaan maanjäristyksiä ajoissa hälytyksen antamiseksi.

Tutkijoiden seuraava askel on osoittaa tämä tekniikka piifotonidiodilla, mikä tekisi laitteesta erittäin skaalautuvan. Ryhmä on jättänyt aiheesta jo alustavan patenttihakemuksen, johon liittyy tuleva täydellinen patentti.

Oak Ridge National Laboratoryn tutkijat käyttivät puolestaan kvanttioptiikkaa edistämään huippumodernia mikroskopiaa ja avaamaan tien materiaalien ominaisuuksien havaitsemiseen suuremmalla herkkyydellä kuin se on mahdollista perinteisillä työkaluilla.

"Osoitimme, kuinka puristettua valoa – kvantti-informaatiotieteen työhevosta - voidaan käyttää mikroskopian käytännön resurssina", kertoo Ben Lawrie, joka johti tutkimusta Raphael Pooserin kanssa. "Mittasimme atomivoimamikroskoopin mikroulokkeen siirtymää herkkyydellä, joka on parempi kuin standardi kvanttiraja."

Klassisella kohinaisella valolla on rajansa. ”Puristettu" valo voi tuoda esiin yksityiskohtia, joita ei voi nähdä kohinan vuoksi. Tutkijoiden kehittämä kvanttimikroskooppi pystyi mittaamaan mikroulokkeen siirtymän 50% paremmalla herkkyydellä kuin on klassisesti mahdollista. Yhden sekunnin pituisissa mittauksissa kvanttitehostettu herkkyys oli 1,7 femtometriä eli noin kaksinkertainen hiiliatomin ytimen halkaisijaan nähden.

Heidän lähestymistapansa kvanttimikroskopiassa perustuu valoaaltojen interferointiin sekä valoaaltojen intensiteettien lomittumiseen. Kvanttimekaniikan Heisenbergin epävarmuusperiaate tekee mahdottomaksi määritellä hiukkasen sijainti ja liikemäärä ehdottoman varmasti. Samanlainen epävarmuussuhde on valon amplitudilla ja vaiheella.

Suurin herkkyys, jonka klassiset valolähteet voivat saavuttaa, minimoi Heisenbergin epävarmuussuhteen yhtä suurella epävarmuudella jokaisessa muuttujassa. Puristetut valolähteet vähentävät yhden muuttujan epävarmuutta ja lisäävät toisen muuttujan epävarmuutta ja siten muuttavat epävarmuusjakaumaa. Tästä syystä tiedeyhteisö on käyttänyt puristusta tutkimaan sekä suuria tähtitieteellisiä että pieniä ilmiöitä.

Lomittumisen avulla voidaan mitata yhden valonsäteen voimaa ja se antaisi mahdollisuuden ennustaa toisen valon voimaa mittaamatta sitä. Tutkijoiden mukaan lomittumisen ansiosta nämä mittaukset ovat vähemmän kohisevia ja se antaa mittaukselle paremman signaali-kohinasuhteen.

Aiheista aiemmin:

Kohina tehostaa signaalin siirtoa

Valolla kohtihuonelämpöistä kvanttitietokonetta

Missä kulkee kvanttiraja?