Novi smjer istraživanja kvantno poboljšanih mjerenja razvija se na IRB-u

Studija Instituta Ruđer Bošković potaknut će daljnja istraživanja kvantnih fenomena koja bi mogla dovesti do uspješne primjene kvantno poboljšanih mjerenja u novim tehnologijama

Sandro Vrbanus četvrtak, 25. listopada 2018. u 18:04

Prestižni časopis Reviews of Modern Physics, jedan od najutjecajnijih i najcitiranijih znanstvenih časopisa u svijetu, nedavno je objavio veliki pregledni rad međunarodnog tima znanstvenika o naprednim pristupima mjerenjima poboljšanim kvantnim učincima. Autori rada, među kojima je i teorijski fizičar dr. sc. Ugo Marzolino s Instituta Ruđer Bošković (IRB), vjeruju da će rezultati ovog rada omogućiti nove smjerove istraživanja u ovom intrigantnom i potencijalno veoma korisnom i primjenjivom području kvantne fizike, poručuju s IRB-a.

Kvantno poboljšana mjerenja za primjenu u industriji

Mjerenja su neizostavni dio funkcioniranja svijeta kakvog danas poznajemo, tako da često i ne primjećujemo da svakodnevno nešto mjerimo i koristimo rezultate tih mjerenja – naši automobili u vožnji mjere brzinu, a mobiteli mjerenjima određuju svoj položaj i orijentaciju u prostoru. Naravno, sofisticirana mjerenja neizostavna su u raznim područjima znanosti i predstavljaju jednu od temeljnih znanstvenih metoda.

Cilj mjerenja je dobiti rezultat što veće preciznosti, uz što jednostavniji postupak mjerenja, veću brzinu i nižu cijenu. Zbog toga se neprestano traže načini poboljšanja preciznosti mjerenja, a nakon iscrpljivanja svih mogućnosti poboljšanja mjerenja klasičnim metodama znanstvenici se sve više okreću kvantnom mjeriteljstvu.

Sposobnost obavljanja mjerenja nekoliko fizikalnih veličina s velikom preciznošću predmet je intenzivnih temeljnih istraživanja, ali i brojnih primijenjenih istraživanja u području kvantne komunikacije, kvantnom računanju i kvantnom mjeriteljstvu.

Prve realistične ideje o tome kako poboljšati osjetljivost preciznih detektora, poput onih korištenih za detektiranje gravitacijskih valova, uz pomoć kvantnih efekata pojavili su se u osamdesetim godinama prošlog stoljeća. Danas se takva mjerenja rutinski obavljaju u brojnim laboratorijima. No, osim u temeljnim znanostima kvantno poboljšana mjerenja imaju veliki potencijal za primjenu u industriji. Tehnološki orijentirane primjene kvantne fizike tako uspijevaju zainteresirati i tehnološke tvrtke.

Dr. Ugo Marzolino
Dr. Ugo Marzolino

''Povrh detekcija gravitacijskih valova, postoje prijedlozi da se ovakva mjerenja iskoriste za poboljšanje vremenskih ili frekvencijskih standarda, navigaciju, daljinska mjerenja i određivanje vrlo malih magnetskih polja, a s mogućim primjenama u medicini i to kod snimanja mozga ili srca, zatim za utvrđivanje prostorno-vremenskih parametara, termometrije i brojne druge primjene. U našem radu mi smo dali pregled svih relevantnih naprednih metoda za kvantno poboljšana mjerenja, od kojih mnoga nisu dovoljno poznata čak ni u stručnoj literaturi u području kvantnog mjeriteljstva.", objašnjava dr. sc. Ugo Marzolino s IRB-a.

Novi smjerovi istraživanja u kvantnom mjeriteljstvu

Velika većina drugih modela za kvantno poboljšana mjerenja koristi neobičan kvantni efekt koje nazivamo kvantnom zapetljanošću. Ona nije vidljiva u makroskopskom svijetom kakvog poznajemo, a Einstein ju je nazvao sablasno djelovanje na daljinu. Međutim, dosad je samo nekoliko eksperimenata postiglo značajna poboljšanja u preciznosti mjerena koja se temelje na ovom kvantnom učinku i to u pravilu samo za vrlo male sustave.

"Nekoliko je razloga zašto je tomu tako. Prije svega, već je vrlo teško postići klasičnu osjetljivost uz pomoću kvantnih sustava, budući da se svi vanjski izvori buke moraju eliminirati. Drugo, klasični modeli mogu se lako povećati kako bi se povećala preciznost mjerenja, a uz to su znatno jeftiniji od modela temeljenih na kvantnoj zapetljanosti, i koje je teško primijeniti na velike sustave s mnogo objekata. Treće, i najvažnije, kvantna zapetljanost je vrlo krhka i može biti uništena već i malom količinom nepoželjnog i nekontroliranog šuma. Stoga je od velike važnosti bilo razmisliti o drugim načelima za stabiliziranje kvantnih efekata, a upravo to je u središtu našeg istraživanja.", kaže dr. Marzolino.

Tijekom posljednjih nekoliko godina znanstvenici su prikupili dosta rezultata za razvoj alternativnih modela mjerenja koji se ne temelje na zapetljanosti. U ovom pregledu pod naslovom ‘Quantum-enhanced measurements without entanglement’ tim znanstvenika kojeg uz dr. Marzolina čine znanstvenici iz Njemačke, Velike Britanije, Španjolske i Italije posebno se usredotočio na modele koji ne koriste kvantnu zapetljanost.

''Smatramo da će naša studija potaknuti daljnja istraživanje modela u kvantnom mjeriteljstvu koja bi u konačnici mogla dovesti do provedbe kvantno poboljšanih mjerenja i njihove integracije u nove tehnologije", zaključuje dr. Marzolino.