Nieuw circuit detecteert zwakste radiosignalen toegestaan ​​door kwantummechanica

• Natuurkundigen bouwen een nieuw circuit dat zeer kleine kwantumstappen (fotonen) in radiofrequentiesignalen kan detecteren.
• Deze nieuwe kwantumcircuits kunnen een aantal toepassingen hebben, van nucleaire magnetische resonantiebeeldvorming tot radioastronomie.

Detectie van zwakke radiofrequente elektromagnetische velden speelt een belangrijke rol in verschillende velden, waaronder nucleaire magnetische resonantiebeeldvorming tot radioastronomie.

In de kwantumoptica is het zwakste signaal een enkel foton. Het is echt moeilijk om individuele fotonen op megahertz-frequenties te detecteren en te manipuleren, omdat je thermische fluctuaties niet kunt stoppen, zelfs niet bij cryogene temperaturen.

Nu hebben natuurkundigen van de TU Delft een systeem ontwikkeld dat zo'n detectie mogelijk maakt. Ze hebben een kwantumcircuit gebouwd voor het detecteren van de zwakste signalen - fotonen of energiekwanta - toegestaan ​​door de theorie van de kwantummechanica.

Kleine kwantumstappen

In de kwantummechanica komt energie binnen in de vorm van kleine kieren die bekend staan ​​als 'quanta'. Sta me toe dit uit te leggen met een voorbeeld:laten we zeggen dat je een winkelwagentje duwt. Volgens de klassieke natuurkunde kun je de kar een extra duwtje geven als je sneller wilt gaan, waardoor je meer energie en meer snelheid krijgt.

De wetten van de kwantummechanica zijn echter heel anders:je kunt de energie van de kar maar met één 'kwantumstap' tegelijk verhogen. Deze ‘kwantumstappen’ zijn te zwak om de kar te duwen. In feite is er nauwelijks een apparaat om een ​​enkele kwantumstap nauwkeurig te detecteren. Hetzelfde geldt voor radiogolven.

Referentie:ScienceMag | doi:10.1126/science.aaw3101 | Technische Universiteit Delft

Wat onderzoekers in deze studie hebben gebouwd, kan deze kleine kwantumstappen in radiofrequentiesignalen daadwerkelijk detecteren. De nieuwe architectuur van de kwantumelektrodynamica van het circuit maakt het uitlezen en manipuleren van een radiofrequentieresonator op kwantumniveau mogelijk.

De Quantum-chip (1*1 cm) ontwikkeld in dit onderzoek | Bron:TU Delft

De architectuur kan ook worden gebruikt om de kwantumelektrodynamica van circuits te koppelen aan andere fysieke systemen in het megahertz-frequentiebereik, bijvoorbeeld macroscopische mechanische oscillatoren of spinsystemen.

Samenspel tussen kwantumzwaartekracht en kwantummechanica

Het team wil kwantummechanismen verder brengen dan toepassingen in kwantumdetectie:ze willen kwantumzwaartekracht onderzoeken. Hoewel de kwantumelektromagnetisme-theorie voor het eerst werd geformuleerd in de jaren 1920, hebben natuurkundigen niet kunnen achterhalen hoe zwaartekracht in de kwantummechanica kan worden ingepast.

Onderzoekers zijn van plan om de kwantumtrillingen van grote objecten te beluisteren en te manipuleren met behulp van de kwantumradio. Ze zullen ook proberen kwantumzwaartekracht en mechanica te combineren en kijken wat er gebeurt.

Lezen:Wetenschappers gebruiken kwantumcomputer om de tijd om te keren

Natuurlijk zullen dergelijke experimenten niet gemakkelijk uit te voeren zijn, maar als ze succesvol zijn, kunnen ze misschien een kwantumsuperpositie van ruimte-tijd zelf creëren, waarvoor een goed begrip van zowel de algemene relativiteitstheorie als de kwantummechanica vereist is.