Elérték a mérési pontosság elvi határát

Ausztrál kutatók fényhullámok fázisának mérésénél elérték a pontosság elvi határát, a Heisenberg-féle határozatlansági reláció által megszabott korlátot. Új módszerük alkalmazásával érzékenyebb mérő- és képalkotó eszközöket lehet majd építeni.

Geoff Pryde (Griffith University, Brisbane) vezetésével építették meg a mindeddig legérzékenyebb optikai interferométert. Az interferométer két hullám fázisának különbségét méri ki, meghatározza, mennyiben tér el egymástól a két hullám amplitúdója. A hullámok találkozásánál összeadódnak az amplitúdók. Ha azonos fázisban adódnak össze, akkor az eredményül kapott hullám amplitúdója éppen kétszerese lesz az eredeti amplitúdóknak, pontosan ellenkező fázisban találkozó hullámok viszont teljesen kioltják egymást, az amplitúdó nulla lesz. A két szélső lehetőség között a fázisok eltérésének megfelelően minden közbülső állapot megvalósulhat.

Interferométerek régen és ma

Albert Abraham Michelson német származású amerikai fizikus 1881-ben építette meg kétsugaras optikai interferométerét. A berendezésben a fényforrásból kiinduló fénysugarat féligáteresztő üveglemez osztja két, egymásra merőleges nyalábra. A két sugár egy-egy tükörről visszaverődve jut a távcsőbe, ahol interferenciaképet hoz létre. A hullámhosszmérésre alkalmas berendezéssel bizonyították be a fénysebesség állandóságát, cáfolták meg az éter létezését.

Hasonló típusú interferométerekkel szeretnék ma a kutatók a kozmikus kataklizmák által keltett gravitációs hullámokat kimutatni, napjainkig sikertelenül. Az Egyesült Államokban működő LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) rendkívül érzékeny rendszer. A fotonok 4 kilométeres út után verődnek vissza egy tükörről, a berendezés a távolság rendkívül kis megváltozását is képes az interferenciakép megváltozásával kimutatni. A rendkívül kis távolság valóban fantasztikusan kicsi, a proton átmérőjével mérhető össze. Bizonyos frekvenciákon azonban nem ilyen érzékeny a rendszer, a fény kettős (részecske-hullám) természete miatt a pontosságot, érzékenységet lerontó zavaró "zaj" jelenik meg a rendszerben.

A mérések elvi határa

A kutatók fő törekvése ennek a zavaró zajnak a csökkentése. Minél nagyobb az interferométerbe juttatott lézerfény intenzitása, annál kisebb a fázismérés bizonytalansága. Az intenzitás azonban nem növelhető tetszés szerint, mert egyszer csak elkezdenek rezegni a tükrök a fotonok nyomása alatt. Meg kell találni az optimális működésmódot, amikor a maximális érzékenység mellett minimális zaj. Sokáig úgy vélték, hogy nem lehet a mérés érzékenységét ezen a "standard kvantumkorlátnak" nevezett határon túl javítani.

Az elvi, az abszolút határt a kvantummechanika egyik fontos tétele, a Heisenberg-féle határozatlansági reláció jelenti. A kísérletileg igazolt reláció szerint elvileg sem mérhető egyszerre teljes pontossággal pl. egy részecske helye és impulzusa. A két adat bizonytalanságának szorzata mindig nagyobb egy fix értéknél, és minél pontosabban mérjük meg az egyik mennyiséget, annál kevésbé pontos adatunk lesz a másikról. Ugyanilyen mennyiségpár a fázis és az intenzitás is.

Kvantumtrükkök

1981-ben vetették fel először, hogy kvantumtrükkök bevetésével tovább lehet lépni a standard kvantumkorlátnál. Először összecsatolt fotonpárokkal kísérleteztek, így közelebb is kerültek a Heisenberg-korláthoz, de nem érték el. Az interferométerben összecsatolt fotonpárok seregét indították el, az együtt mozgó fotonsereg lényegében úgy viselkedett, mint egyetlen, rövidebb hullámhosszú foton, így sikerült a zajt csökkenteni.

2007 januárjában vetették fel az ausztrál kutatók, hogy ők magányos fotonok útnak indításával tervezik elérni az elvi határt. A januári bejelentés hallatán Jonathan P. Dowling professzor (Louisiana State University) kijelentette, hogy az ötlet a közeljövőben technológiailag kivihetetlen. Novemberben viszont már megjelent azt ausztrál kutatók tanulmánya a Nature hasábjain elképzelésük sikeres megvalósításáról. Nem határozták meg, hogy az interferométer melyik karjában mozog a magányos foton, ez volt a siker kulcsa. Esetükben az volt a döntő trükk, hogy megoldották a foton visszavezetését, így egyetlen foton sokszor végigjárta az interferométer karjait anélkül, hogy az állapota megváltozott volna. Az eredményt a Nature ugyanezen számában kommentáló Dowling elismerte a kutatók igazát, majd így folytatta: "most kénytelen vagyok megenni a kalapomat".

Az új módszer hamarosan alkalmazásra találhat nagyon érzékeny optikai szenzorokban és képalkotó technológiákban. A mérési pontosság elvi határának elérése viszont azzal a hátránnyal jár, hogy a fényintenzitás kicsi. Ezért ez a módszer nem alkalmas a gravitációs hullámok kimutatására.