Time domain non-linear quantum interferometry

Stel je voor dat je probeert een enkele fluistering te horen in een kamer die gevuld is met het gebrul van een straalmotor. In de wereld van de fysica is dit de dagelijkse uitdaging om de zwakste signalen uit het universum te detecteren, zoals de ongrijpbare deeltjes die de donkere materie zouden kunnen vormen of de rimpelingen van hoogfrequente gravitatiegolven. Decennialang hebben wetenschappers vertrouwd op een techniek genaamd interferometrie, waarbij een golf wordt gesplitst in twee paden en vervolgens weer wordt gecombineerd om minuscule verschillen te onthullen. Echter, zelfs de meest perfecte instrumenten worden geconfronteerd met een fundamentele barrière die bekend staat als de schotruislimiet (shot noise limit). Dit is geen gebrek aan de machine, maar een gevolg van de kwantummechanische aard van het licht zelf; omdat licht bestaat uit discrete pakketjes die fotonen worden genoemd, is er een onvermijdelijke, willekeurige trilling in de intensiteit van de straal die signalen zwakker dan een bepaalde drempel overstemt. Om de stilste geheimen van het universum te zien, moeten onderzoekers een manier vinden om voorbij deze kwantumstatische ruis te luisteren.

Een team van natuurkundigen in Frankrijk heeft nu een apparaat gebouwd dat precies dit doet, door een nieuw type kwantuminterferometer te creëren dat signalen ver onder de standaardruislimiet kan detecteren. Hun werk, gepubliceerd in een recente studie, demonstreert een methode om microgolfsignalen waar te nemen die gemiddeld minder dan één foton bevatten, een prestatie die voorheen als te complex en te fragiel werd beschouwd voor minder ingewikkelde apparatuur. Door gebruik te maken van een speciaal circuit gemaakt van granulaire aluminium en een microgolfcaviteit, hebben de onderzoekers een systeem gecreëerd dat zwakke signalen versterkt via een niet-lineair proces, waardoor een fluistering effectief in een schreeuw wordt veranderd zonder de gebruikelijke achtergrondruis toe te voegen. Deze doorbraak biedt een veelbelovend nieuw pad voor het zoeken naar donkere materie en het observeren van kosmische verschijnselen die tot nu toe verborgen zijn gebleven.

De kern van dit experiment is een opstelling die lijkt op een geavanceerde radio-ontvanger, maar op kwantumniveau opereert. De onderzoekers gebruikten een driedimensionale microgolfcaviteit, een holle metalen doos die elektromagnetische golven opsluit, en plaatsten daarin een minuscuul circuit gemaakt van granulaire aluminium. Dit materiaal is uniek omdat het bestand is tegen magnetische velden en een eigenschap bezit die anharmoniciteit wordt genoemd, wat betekent dat de reactie op energie niet een eenvoudige, rechte lijn is, maar kromt op een manier die complexe interacties mogelijk maakt. Het team voedde de caviteit met een sterk microgolfsignaal, dat fungeerde als een referentiestraal, en introduceerde vervolgens een tweede, ongelooflijk zwak signaal dat ze wilden detecteren. In een traditionele opstelling zou dit zwakke signaal verloren gaan in de ruis van de sterke straal, maar hier fungeert het granulaire aluminium circuit als een niet-lineaire lens.

De magie vindt plaats door een proces genaamd Ramsey-interferometrie, een methode die gewoonlijk wordt gebruikt om tijd of frequentie met extreme precisie te meten. De onderzoekers bereidden het aluminium circuit voor in een delicate staat van superpositie, waarbij het zich in twee toestanden tegelijk bevindt, en lieten het vervolgens vrij evolueren. Tijdens deze tijd interageerden het sterke referentiemicrogolfsignaal en het zwakke testsignaal met het circuit. Vanwege de niet-lineaire aard van het circuit veroorzaakte de aanwezigheid van zelfs een minimaal aantal fotonen van het zwakke signaal een meetbare verschuiving in de fase van de toestand van het circuit. Het is alsof het zwakke signaal het circuit net genoeg een duwtje gaf om de timing van zijn interne ritme te veranderen, een verandering die afgelezen kon worden door het microgolfsignaal te meten dat van de caviteit terugkaatst.

De resultaten waren opmerkelijk. Het team demonstreerde dat hun apparaat een signaal kon detecteren dat slechts 0,01 fotonen bevatte in slechts 400 microseconden, en zelfs nog kleinere signalen van 0,00001 fotonen als ze de meting 400 milliseconden lieten draaien. Om dit in perspectief te plaatsen: een standaarddetector zou veel langer moeten wachten of veel krachtigere versterkers moeten gebruiken om dergelijke zwakke signalen te zien, wat vaak meer ruis introduceert in het proces. De onderzoekers toonden aan dat hun methode werkt door de fase van het uitgangssignaal te meten in plaats van alleen de kracht ervan, waardoor ze de beperkingen van de schotruis kunnen omzeilen. Ze bevestigden dat het apparaat het zwakke signaal van de achtergrondruis kon onderscheiden door te observeren hoe de fase van de output oscilleerde terwijl ze de timing van het zwakke signaal aanpasten.

Een van de meest significante aspecten van dit werk is de robuustheid ervan. Veel kwantumsensoren zijn uiterst fragiel en falen als ze worden blootgesteld aan magnetische velden, die vaak nodig zijn voor experimenten die zoeken naar donkere materie. Echter, omdat het granulaire aluminium circuit van nature bestand is tegen magnetische velden, konden de onderzoekers hun interferometer laten werken onder een magnetisch veld van maar liefst 100 millitesla zonder gevoeligheid te verliezen. Dit suggereert dat het apparaat geïntegreerd kan worden in grotere experimenten die sterke magneten vereisen, zoals die ontworpen om hypothetische deeltjes van donkere materie om te zetten in detecteerbare fotonen. Het team merkte ook op dat het apparaat potentieel een zeer breed bereik aan frequenties kan scannen, wat het een veelzijdig instrument maakt voor het verkennen van verschillende soorten kosmische signalen.

De implicaties van deze ontdekking reiken verder dan alleen het meten van zwakke signalen. Het vermogen om dergelijke zwakke microgolfvelden te detecteren, opent de deur naar de zoektocht naar kandidaten voor donkere materie zoals axionen of donkere fotonen, waarvan men verwacht dat ze signalen in het microgolfbereik produceren. Deze deeltjes, indien ze bestaan, zouden zeer zwak interageren met gewone materie, waardoor ze met de huidige technologie bijna onmogelijk te detecteren zijn. Door de schotruislimiet te omzeilen, biedt deze nieuwe interferometer een manier om naar deze deeltjes te luisteren met een gevoeligheid die voorheen buiten bereik lag. De onderzoekers benadrukten ook dat hun methode aangepast kan worden om hoogfrequente gravitatiegolven of astronomische masers te detecteren, wat natuurlijke bronnen van microgolfstraling in de ruimte zijn.

Hoewel het apparaat nog geen afgewerkt product is dat klaar is voor inzet in een ruimtetelescoop, vertegenwoordigt het een cruciale stap voorwaarts in het vakgebied van de kwantummetrologie. De onderzoekers toonden aan dat door gebruik te maken van de niet-lineaire eigenschappen van een eenvoudig supergeleidend circuit, het mogelijk is om een interferometer te creëren die zowel gevoelig als robuust is. Ze beweerden niet de oplossing voor het mysterie van de donkere materie te hebben gevonden, maar ze hebben een nieuw, krachtig instrument geleverd dat kan helpen bij het beantwoorden van die vraag. Het werk staat als een bewijs voor het idee dat door het begrijpen en manipuleren van de fundamentele kwantumeigenschappen van materialen, wetenschappers instrumenten kunnen bouwen die verder kijken en stiller horen dan ooit tevoren. Naarmate het veld van de kwantummetrologie zich blijft ontwikkelen, kan deze benadering van het gebruik van niet-lineaire circuits om ruislimieten te overwinnen een standaardtechniek worden voor het verkennen van de diepste mysteries van het universum.