Новая схема обнаруживает самые слабые радиосигналы, разрешенные квантовой механикой

• Физики создают новую схему, которая может обнаруживать очень крошечные квантовые шаги (фотоны) в радиочастотных сигналах.
• Эти новые квантовые схемы могут найти множество применений, от получения изображений ядерного магнитного резонанса до радиоастрономии.

Обнаружение слабых радиочастотных электромагнитных полей играет важную роль в нескольких областях, включая ядерно-магнитно-резонансную томографию и радиоастрономию.

В квантовой оптике самый слабый сигнал - это одиночный фотон. Очень сложно обнаруживать отдельные фотоны на мегагерцовых частотах и ​​управлять ими, потому что вы не можете остановить тепловые флуктуации даже при криогенных температурах.

Теперь физики из Технологического университета Делфта разработали систему, которая делает такое обнаружение возможным. Они построили квантовую схему для обнаружения самых слабых сигналов - фотонов или квантов энергии - разрешенных теорией квантовой механики.

Маленькие квантовые ступеньки

В квантовой механике энергия поступает в виде крошечных щелей, известных как «кванты». Позвольте мне объяснить это на примере:допустим, вы толкаете корзину для покупок. Согласно классической физике, если вы хотите ехать быстрее, вы можете дать тележке дополнительный толчок, что даст больше энергии и больше скорости.

Однако законы квантовой механики совершенно иные:вы можете увеличивать энергию тележки только на один «квантовый шаг» за раз. Эти «квантовые шаги» слишком слабы, чтобы толкать тележку. На самом деле вряд ли существует какое-либо устройство, которое бы точно обнаружило один квантовый шаг. То же самое и с радиоволнами.

Ссылка:ScienceMag | doi:10.1126 / science.aaw3101 | Делфтский технологический университет

То, что исследователи построили в этом исследовании, может фактически обнаруживать эти крошечные квантовые шаги в радиочастотных сигналах. Архитектура новой схемы квантовой электродинамики позволяет считывать и управлять радиочастотным резонатором на квантовом уровне.

Чип Quantum (1 * 1 см), разработанный в этом исследовании | Источник:ТУ Делфт

Архитектура также может использоваться для сопряжения квантовой электродинамики схем с другими физическими системами в мегагерцовом диапазоне частот, например, макроскопическими механическими осцилляторами или спиновыми системами.

Взаимодействие квантовой гравитации и квантовой механики

Команда стремится вывести квантовые механизмы за рамки приложений квантового зондирования:они хотят исследовать квантовую гравитацию. Хотя теория квантового электромагнетизма была впервые сформулирована в 1920-х годах, физики не смогли понять, как вписать гравитацию в квантовую механику.

Исследователи планируют слушать квантовые колебания крупных объектов и управлять ими с помощью квантового радио. Они также попытаются совместить квантовую гравитацию и механику и посмотреть, что произойдет.

Прочтите:Ученые используют квантовый компьютер для обращения времени

Конечно, такие эксперименты будет нелегко провести, но в случае успеха они могли бы создать квантовую суперпозицию самого пространства-времени, что потребовало бы глубокого понимания как общей теории относительности, так и квантовой механики.