Túllépni a kvantum­határon

Példátlan pontosságú mérések elvégzését teszi lehetővé a Heisenberg-féle határozatlansági elv kizárása, amit az amerikai Caltech kutatóinak sikerült elérniük.

A kvantumelmélet egyik alapjaként szolgáló határozatlansági elv alapvető korlátot szab egy tárgy helyzetének mérésében. "Ha szeretnénk megtudni valamiről, hogy hol van, valamilyen visszaverődésre van szükségünk" - magyarázta Keith Schwab professzor, a tanulmány vezetője. "Például, ha megvilágítunk egy tárgyat, a szétszóródó fotonok információval szolgálnak a tárgyról. Azonban a fotonok nem mind ütköznek és szóródnak szét egyidejűleg, a szétszóródás véletlenszerű sémája pedig kvantumingadozást hoz létre - ez a zaj. Ha több fényt használunk, növeljük az érzékenységet, de egyúttal a zajt is. Mi egy olyan megoldást kerestünk, amivel kiküszöböljük a határozatlansági elvet, növelve az érzékenységet, a zajt azonban nem"

Schwab elkezdett kifejleszteni egy módszert, amivel észlelhetik a mikrohullámok szétszóródásakor keletkező zajt. Ehhez munkatársaival egy szupravezető áramkörhöz adott frekvenciájú mikrohullámokat adtak, melyek 5 gigahertzen rezegnek. Az áramkört ezután összekapcsolták egy 4 megahertz környékén rezgő mechanikus eszközzel. A megfigyelések szerint a mikrohullámú mező kvantumzaja, amit a különálló fotonok becsapódása okozott, 10^-15 méter amplitúdójú véletlenszerű rázkódást eredményezett a mechanikus eszköznél, ami megközelítőleg egy proton átmérője.

"Mechanikus eszközünk egy parányi alumínium négyzet, mindössze 40 mikron hosszú, ami a haj átmérőjének felel meg. A kvantummechanika jól leírja az atomok, elektronok és protonok viselkedését, de általában nem gondolnánk, hogy ezek a kvantumhatások testet öltenének ilyen szabad szemmel is látható tárgyakban" - mondta Schwab. "Ez a határozatlansági elv fizikai megtestesülése, melyet egy makroszkópos dolgot elérő fotonok váltottak ki"

Miután a kutatók megkapták a mikrohullámok kvantum fluktuációja által generált erők észlelési mechanizmusát, elvégezhették azokat a módosításokat elektromos rezonátorukon, mechanikus eszközükön és matematikai módszerükön, amivel kizárhatták a zajt méréseikből. "Ez a határozatlansági elv kicselezésének egy módja, amivel felerősíthetjük a detektor érzékenységét a zaj növelése nélkül" - magyarázta Schwab.

Bár a kísérlet főként a mikrohullámok kvantum természetének alapvető kutatása, Schwab szerint ez a vonal egy nap elvezethet a kvantummechanikai hatások sokkal nagyobb mechanikai szerkezetekben történő megfigyeléséhez. Lehetővé teheti olyan különös kvantummechanikai tulajdonságok demonstrálását, mint például a szuperpozíciót és a kvantum-összefonódást, ezáltal megfigyelhetünk egy szabad szemmel is látható tárgyat, amin egyszerre két helyen létezik. "A szubatomi részecskék kvantum módon viselkednek - hullámszerű tulajdonságuk van. Ugyanez jellemezi az atomokat, de akár egész molekulákat, mivel ezek is atomok halmazai" - mondta Schwab. "A kérdés tehát az, képesek vagyunk-e egyre nagyobb és nagyobb tárgyakat rávenni erre a különös hullámszerű viselkedésre?"