Tarkempia mittauksia mutkan kautta

10.09.2020

Penn-kohinaa-lisaamalla-herkempia-antureita-285-t.jpgTaiteilijan 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.

Penn-ORNL-kvanttivalo-vahentaa-kohinaa-250-t.jpgHeidän 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?

28.03.2024Kertakäyttöiset tekoälyanturit terveyden seurantaan
27.03.2024Kvantti-interferenssi ja transistori
26.03.2024Robotti tarttuu lihanpalaan ja keskustelee kaverinsa kanssa
25.03.2024Piin kanssa yhteensopivia magneettisia pyörteitä
23.03.2024Kaksitoiminen katalyytti tekee sen halvemmalla
22.03.2024Hiilinanoputket käyttöön
21.03.2024Fotonisirut valtaavat alaa
21.03.2024Uusi 2D-materiaalien maailma on avautumassa
19.03.2024Suprajohteet auttavat tietokoneita "muistamaan"
18.03.2024Kvanttimateriaalitutkimuksen uudet työkalut
16.03.2024Räjähtämätön vedyntuotantomenetelmä
15.03.2024Kvanttitietokoneita atomeihin perustuen
14.03.2024Elektronit vedessä ja särkyneinä
13.03.2024Sateenvarjo atomeille
12.03.2024Magnetismilla energiatehokasta laskentaa
11.03.2024Molekyylielekroniikan johteita ja kytkimiä
09.03.2024Elektroniikkaromusta kultaa edullisesti
09.03.2024Jännitystä aurinkoenergian keräämiseen
07.03.2024Kolmas ulottuvuus langattoman prosessoinnille
06.03.2024Mikroaaltoinen fotoniikkasiru nopeaan signaalinkäsittelyyn
05.03.2024Palonkestävä natriumakku
04.03.2024Polymeeripohjaiset viritettävät optiset komponentit
01.03.2024Tulevaisuuden kubitti luotiin kvanttiprosessoriin
29.02.2024Uudenlaisia ratkaisuja pienen koon tehokäyttöihin
28.02.2024Fotonien napakymppi ja tehokas ylösmuunnos
27.02.2024Elektroneja murto-osina grafeenissa
26.02.2024Elektronin ja fononin vuorovaikutuksen mysteeri
24.02.2024Entistä tehokkaampia aurinkokennoja
23.02.2024Uusi resepti kvanttisimuloinnille
22.02.2024Li-ion-johteita uuden suunnan kestäville akuille
21.02.2024Uusi laji magnetismia
20.02.2024Hyppivät atomit muistavat missä ne ovat olleet
19.02.2024Puolipallon muoto aurinkokennoon
17.02.2024Perovskiittiä vihreän vedyn tuotantoon
16.02.2024Fotoniikan nanovalmistusta printterillä
15.02.2024Neuromorfisia näkösensoreita
14.02.20242D-materiaaleista heterorakenteita
13.02.2024Magneettisten supervoimien vapauttaminen
12.02.2024Kvanttiedulla liikkuva maali
10.02.2024Antureita ympäristöhaittojen seurantaan
09.02.2024Kohti kvantti-internetiä ja kvanttiviestintää
08.02.2024Tehokkaita röntgensäteitä ja ultraviolettivaloa
07.02.2024Kubitti, jossa on sisäänrakennettu virheenkorjaus
06.02.2024Laskentaa valoaalloilla
05.02.20243D-tulostettu elektroninen iho ja näyttö
03.02.2024Läpimurto kvanttipisteisissä aurinkokennoissa
02.02.2024Äänikäyttöiset anturit säästävät miljoonia paristoja
01.02.2024Energiankeruuta ja kuvantamista samanaikaisesti
31.01.2024Pitkään kestäviä grafeenin laaksotiloja kubiteille
30.01.2024Pinoa neuroverkkojärjestelmiä rakennelohkoista
29.01.2024Vihreiden ledien tehokkuus paremmaksi
27.01.2024Ultranopea vetyvuodon anturi
26.01.2024Uusi ehdokas yleismuistiksi
25.01.2024Teollisesti valmistettava kvanttimuisti
24.01.2024Ensimmäinen topologinen kvanttipiiri
23.01.2024Grafeenista vihdoin toiminnallinen puolijohde
23.01.2024Lämpösähköä esineiden Internetille
20.01.2024Polttokenno toimii maaperässä ikuisesti
19.01.2024Tutkijat loivat loogisen kvanttiprosessorin
18.01.2024Kvanttilomittuminen ja topologia ovat erottamattomia
17.01.2024Tutkimus tasoittaa tietä paremmille metalliakuille
16.01.2024Ihmisen kuulojärjestelmä mallina yksijohtimiselle anturiryhmälle
15.01.2024Todennäköisyyspohjaisia tietokoneita ja tekoälyä
13.01.2024Valo välittää dataa sata kertaa nopeammin kuin Wi-Fi
12.01.2024More than Moore -konsepti
11.01.2024Korkeamman lämpötilan suprajohteiden kytkentää
10.01.2024Hiili tehostaa 2D-elektroniikkaa
09.01.2024Stokastista synkronia salaukseen ja neuroneille
08.01.2024Polymeeristä syntyy katalyyttikide
06.01.2024Kuupölystä aurinkokennoja
05.01.2024Kvanttipisteisiä aurinkosähkökennoja
04.01.2024Plasmoneita ja tekoälyä terahertsitutkimuksiin
03.01.2024Vetyä ja polymeeriä akkuihin
02.01.2024Aivomainen transistori jäljittelee ihmisen älykkyyttä
01.01.2024Yhdistetty "kilparata" mahdollistaa uuden optisen laitteen
29.12.2023Liukuvaa ferrosähköisyyttä ja timantteja
28.12.2023Magneto-optista materiaalia pii-integrointiin
27.12.2023Kvanttipisteanturi ei tarvitse ulkoista teholähdettä
22.12.2023Sähköistävä parannus kuparin johtavuuteen
21.12.2023Yksittäisestä 2D-materiaalista suprajohtava liitos
20.12.2023Nanoresonaattorit avaavat tietä kvanttiverkoille
19.12.2023Metapinta-antenni 6G:lle ja meta-atomeja
18.12.2023Atomintarkkaa 2D-materiaalien integrointia
16.12.2023Kvanttiakuissa rikotaan kausaliteetti
15.12.2023Hierarkkinen generatiivinen mallinnus autonomisille roboteille
14.12.2023Uusi näkemys moniarvoisten akkujen suunnitteluun
13.12.2023Optisella langattomalla ei ehkä enää ole esteitä
13.12.2023Fyysikot kvanttilomittavat yksittäisiä molekyylejä
12.12.2023Edullista tribosähköä ja aurinkokenno puumateriaalista
08.12.20232D-materiaaleista 3D-elektroniikkaa tekoälylaitteistoihin
07.12.2023Fotonikomponentteja RF-signaalin käsittelyyn
06.12.2023Elektromagnoniikasta uusi tiedonkäsittelyn alusta
05.12.2023Uusi alusta kvantti-informaation käsittelyyn
04.12.2023Lämpöä voidaan käyttää laskentaan
01.12.2023Askel biologian ja mikroelektroniikan integroinnille
30.11.2023Josephson-liitosten käyttö supravirran ohjaamiseen
29.11.2023Mikrotekniikkaa ja molekyylikemiaa aurinkokennoille
28.11.2023Materiaalien kehittelyä koneoppisella
27.11.2023Kaksiulotteisia magneetteja tietotekniikalle
25.11.2023Uusi jäähdytysmekanismi jääkaapeille ja jäähdytyslaitteille

Näytä lisää »