Bilim insanları, fotonlar kullanılarak yapılan ölçümlerde yeni bir başarıya imza atarak, daha önce sadece teoride mümkün olan bir hassaslık seviyesini yakalamayı başardılar.

Alanının ilk örneği olan bu deneyde, fizikçilerden oluşan bir ekip “saçma gürültüsü limiti” adı verilen sınırı geçmeyi başararak, optik ölçümlerde ışığın tekil parçacıklarından elde edilebilen bilgi miktarını en yüksek seviyeye çıkardılar. Onlarca yıl boyuna, teorik fizikçiler, parçacıkların dolaşık halde oldukları kuantum durumlarında bulunan fotonlarla ölçümler yapmanın, kuantum durumlarında olmayan ışık parçacıklarıyla yapılan ölçümlere kıyasla avantaj sağlayabileceğini düşünüyorlardı.

Fotonlar dolaşık olduklarında, özellikleri birbirleriyle ilişkili olur veya birbirlerine bağlanırlar. Bu da ölçümde daha az rasgelelik olduğu anlamına gelir. Yine de bu dolaşık durumlar sadece, fotonlar yüksek kalitede olduklarında ve kaybolmadıklarında işe yarar. Bireysel ışık parçacıkları, ölçüm cihazı tarafından istem dışı soğurulduklarında veya cihaz içerisinde saçılmaya uğradıklarında veya saptanmadıklarında, ölçüme rasgelelik karışır.

“Saçma gürültüsü limiti” adı verilen bu kısıtlama; bilim insanlarının, kuantum durumlarında bulunan fotonlarla yapılan yüksek hassasiyette ölçümlerin teorik limitlerine ulaşmalarını engellemişti. Fakat Avustralya’daki Griffith Üniversitesi’nden kuantum fizikçisi Geoff Pryde ve ekibinin yaptığı, Nature Photonics dergisinde yayımlanan yeni çalışma sayesinde, artık bu durum söz konusu olmaktan çıktı.

Burada yeni olan şey, yüksek kaliteli fotonların, yüksek verimde üretilebilmesi ve ölçülebilmesi (fotonların kaybolmaması). Ve böylelikle bu tekniğin, teoride açıklandığı gibi gerçekten işe yaraması. Bunu başarmak için, ekip, her birinin özellikleri yüksek kalitede dolaşık fotonlar vermek üzere özenle tasarlanmış doğrusal olmayan bir kristal üzerinden lazer ışını geçirdi. Ardından fotonlar bir örneğe (ölçülmekte olan nesne) aktarıldı, çalışmada bu örnek kuartz kristaliydi. Bu işlemi gerçekleştirerek ve yüksek verimli detektörlerle fotonları ölçerek, ekip, saçma gürültüsü limitinin koşulsuz olarak aşıldığını gösterdi; bunun anlamı aşırı derecede hassas optik ölçümlerde rasgele gürültüler engellenebilmesi.

“Bu durum gösteriyor ki; belirli kuantum durumlarındaki fotonlar, kuantum fiziğinin kullanılmadığı deneylere kıyasla, gerçekten de belirli türde ölçümlerin daha iyi yapılmasını sağlayabilir. Umuyoruz ki, ileride yapılacak eklentiler (iki fotondan daha fazlasını dolaşık hale getirmek gibi) hassas örnekler üzerinde, kesin ölçümler yapabilmek için kullanılabilir.” diye yorumda bulunuyor Pryde.

Bu örneklerin ne olabileceği hakkında, ekip henüz bu konuda konuşmak için çok erken olduğunu belirtiyor. Fakat gelecekte, bu tür bir yöntemin, araştırmacılara malzemeyi çok az ışıkla ölçme imkanı sağlaması mümkün. Bu yöntem, sınırlı sayıda foton kullanarak, biyolojik örneklerin ölçümlerinin yapılmasında kullanılabilir, böylelikle narin numunelere zarar verilmemiş olur.

Fakat şimdilik en büyük başarı, fotonların bu şekilde, kaybedilmeden ölçüm için kullanılabilmesi. Bu da onlarca yıl önce yapılan teorik öngörülerin sayesinde.

 

---

Kaynak: BREAKING: Physicists Just Smashed a Quantum Light Measurement Limit
< http://www.sciencealert.com/physicists-just-broke-a-new-quantum-record-for-measuring-with-light >
Referans: Unconditional violation of the shot-noise limit in photonic quantum metrology
< https://www.nature.com/articles/s41566-017-0011-5 > DOI: 10.1038/s41566-017-0011-5

---