QUEST

Aikataajuusmoodit

Tältä sivulta löydät tietoa STORMYTUNE-hankkeessa tehtävästä huippututkimuksesta ja siitä, mistä aikataajuusmoodeissa on kyse. Aloita osiosta, joka tuntuu itsellesi helpoimmalta ja luontevimmalta (pelaa, tutki tai opi). Tutustu sen jälkeen muihin osioihin, ja huomaat, miten ymmärryksesi muuttuu ja laajenee!

STORMYTUNE on EU:n rahoittama hanke, joka yhdistää tutkijoita Saksasta, Ranskasta, Italiasta, Espanjasta, Isosta-Britanniasta, Puolasta ja Tšekistä. Se keskittyy tutkimaan kvanttimetrologiaa aikataajuusalueella.

Kvanttimetrologia (eli kvanttimittaustiede) on vakiintunut tutkimusala, joka käyttää kvanttiperiaatteita mittausten tarkentamiseen. Esimerkiksi lomittumista ja superpositiota hyödyntämällä voidaan saavuttaa sellainen herkkyys ja tarkkuus, joka ei onnistuisi klassisin menetelmin. Kvanttimetrologian avulla voidaan siis kehittää monikäyttöisiä sensoreita, jotka ovat huomattavasti parempia kuin klassiset mittalaitteet. STORMYTUNE-hankkeessa pyritään kehittämään aikataajuustiloja hyödyntäviä sensoreita, joilla voitaisiin tehdä ennennäkemättömän tarkkoja mittauksia, sekä niiden käyttöön tarvittavaa teoreettista kehystä.

Pelaa

Saving Photonland! on peli, jossa pääset ratkaisemaan kokeellisia pulmia. Sen avulla saat tuntumaa aikataajuustiloihin ja kvanttipulssien analysoimiseen. Voittaaksesi sinun täytyy rekonstruoida fotoniparit: se onnistuu säätämällä niiden amplitudit ja rekonstruoimalla niiden moodit.

Tekijät:
Dr. Ilaria Gianani (Roma Tre)
Dr. Mattia Walschaers (Sorbonne University)
Dr. Patrick Fabian Folge (Paderborn University)

Pelin kehittäjä:
Jani Parviainen - Kuuasema

Pelaa peliä Saving Photonland!

Tutki

Läpi historian ihmiskunta on kehittänyt mittausmenetelmiä, joiden avulla voidaan saada numeerisia arvoja monenlaisille mittauskohteille, kuten sadon jakautumiselle, kaupunkien väliselle etäisyydelle tai kaupattavien hyödykkeiden painolle. Mitä tulee ajan mittaamiseen, olemme edenneet aurinkokelloista tiimalaseihin, tiimalaseista heilureihin ja lopulta atomikelloihin asti. Tarkat mittaukset ja vertailut perustuvat aina standardoituihin yksiköihin – meidän on tiedettävä melko tarkasti, mitä yksi mittayksikkö vastaa, jotta voimme johtaa loput.

Metrologia tutkii tehokkaampia ja tarkempia tapoja tehdä mittauksia. Se vaikuttaa huomattavasti myös arkielämäämme: esimerkiksi GPS ei toimisi, jos etäisyyksiä ei pystyttäisi mittaamaan tarkasti, ja spektrijäljet ovat vakiintunut tekniikka esimerkiksi huumeiden tunnistamiseen. Paremmat ajoitusmittaukset voisivat parantaa GPS:n ja lasermittauksen suorituskykyä: parempi resoluutio taajuudessa voisi myös auttaa tunnistamaan useampia aineita nopeammin.

Tutki lisää

Jos haluamme tutkia kaikkein tarkimpia mittaustapoja, täytyy siirtyä kvanttimetrologiaan: se käyttää kvantteja, eli yksittäisiä energiapaketteja, mittayksiköt määrittävien standardien asettamiseen. Itse asiassa kvanttimekaniikka asettaa lopullisen rajan minkä vain mittauksen tarkkuudelle. Kvanttiefektejä hyödyntämällä voimme saavuttaa sellaisen tarkkuuden, joka olisi mahdotonta saavuttaa klassisilla menetelmillä. Voimme käyttää tähän tarkoitukseen esimerkiksi superpositiota, jossa kissa on sekä kuollut että elossa samaan aikaan, tai lomittumista, jossa kohteet on kudottu tiukemmin yhteen, kuin klassisesti ajatellen on mahdollista.

Kvanttimaailman mittatikuista fotonit ovat usein hyvä valinta: ne eivät vuorovaikuta juuri minkään kanssa, ellei niitä pakoteta siihen, niitä on suhteellisen helppo tuottaa, ja niihin voidaan koodata informaatiota useammilla eri tavoilla. Itse asiassa kaikki fotonin ominaisuudet, kuten sen polarisaatio, tilaprofiili ja taajuus (eli väri) voivat kokea aiemmin mainittuja outoja kvantti-ilmiöitä.

STORMYTUNE-projektissa olemme kiinnostuneita ennen kaikkea fotonien taajuudesta ja aikariippuvaisista ominaisuuksista sekä siitä, miten voisimme valjastaa nämä kaikkein tarkimpien mittauksen tekemiseen.

Taajuus on valon ominaisuuksista tärkeimpiä: näemme kohteet tietyn värisinä riippuen siitä, minkä taajuuden valoa ne absorboivat ja mitä heijastavat – ja kuten jaettu kokemuksemme maailmasta kertoo, eri esineet absorboivat eri taajuuksia. Siispä tarkastelemalla mitkä taajuudet absorboituvat, voimme tunnistaa kohteita spektroskopiaksi kutsutulla tekniikalla.

Vaan tässä kohtaa fotonien kvanttiluonne tekee kaiken oudommaksi: olet ehkä jo kuullut superpositioperiaatteesta ja siitä, kuinka kvanttihiukkaset voivat olla samaan aikaan eri paikoissa avaruudessa. Voimme siis havaita kvanttihiukkasen useissa eri paikoissa sen aaltofunktion antaman todennäköisyyden mukaan. (Aaltofunktio on systeemin tila sijaintiesityksessä ja voimme laskea sen avulla todennäköisyyden löytää systeemi tietystä paikasta – voit lukea siitä tarkemmin kohdan aaltoluonne opi-materiaalista.) Sama ilmiö voi tapahtua myös taajuuden kanssa: fotoni voi olla monien eri värien superpositiossa siihen asti, kunnes se mitataan. Ja vielä enemmän: jos kahden fotonin taajuudet ovat lomittuneet, se tarkoittaa, että niiden värit riippuvat toisistaan. Eli vaikka fotoni voisi itsessään olla minkä vain värinen, jos kiinnitämme yhden fotonin värin mittaamalla sen, kiinnitämme myös toisen fotonin värin.

Miten voimme kuvailla tätä? Voimme kuvitella, että jokainen fotonipari voidaan hajottaa taajuusmoodien superpositioksi niin sanotun Schmidtin hajotelman avulla. Tästä juuri pelatussa kvanttipelissä on kyse! Jos yhdistämme taajuusmoodit oikein, voimme rekonstruoida fotoniparin taajuuskvanttitilan ja vasta kun hallitsemme fotonien taajuusominaisuuksia, voimme käyttää niitä tehokkaiden mittalaitteiden valmistamiseen. Niiden avulla voimme esimerkiksi tehdä uudenlaisia laitteita kvanttispektroskopiaan ja moneen muuhun tarkoitukseen.

Opi

Tästä linkistä löytyy lisätietoja kvanttipulssien hajottamisesta eri taajuuksiin.

Lataa

Contact

Social

Home
Education
Business & Society
Art & Culture
Initiatives
About