В какой-то момент жизни нас всех раздражали слабые радиосигналы: наша любимая песня в машине превращается в шум, мы слишком далеко от Wi-Fi роутера, чтобы проверить электронную почту. Наше обычное решение – увеличить сигнал, например, выбрав другую радиостанцию или переместившись на другую сторону гостиной. Что, если бы мы могли просто послушать более внимательно?
Слабые радиосигналы – проблема не только для людей, пытающихся найти свою любимую радиостанцию, но и для сканеров магнитно-резонансной томографии (МРТ) в больницах, а также для телескопов, которые ученые используют для вглядывания в космос.
Совершив качественный скачок в области обнаружения радиочастот, исследователи из группы проф. Гэри Стил в Делфте продемонстрировал обнаружение фотонов или квантов энергии, самых слабых сигналов, допускаемых теорией квантовой механики.
Квантовые блоки
Одно из странных предсказаний квантовой механики состоит в том, что энергия приходит в виде крошечных кусочков, называемых «квантами». Что это значит? «Допустим, я толкаю ребенка на качелях», – сказал ведущий исследователь Марио Гели. "Согласно классической теории физики, если я хочу, чтобы ребенок двигался немного быстрее, я могу слегка подтолкнуть его, придав ему больше скорости и больше энергии. Квантовая механика говорит о другом: я могу увеличивать энергию ребенка только на один квантовый шаг за раз.
Увеличить половину этой суммы невозможно."
Для ребенка на качелях эти «квантовые ступеньки» настолько малы, что их невозможно заметить. До недавнего времени то же самое относилось и к радиоволнам.
Однако исследовательская группа в Делфте разработала схему, которая может фактически обнаруживать эти фрагменты энергии в радиочастотных сигналах, открывая потенциал для восприятия радиоволн на квантовом уровне.
От квантового радио к квантовой гравитации?
Помимо приложений в квантовом зондировании, группа в Делфте заинтересована в том, чтобы вывести квантовую механику на новый уровень: масса. Хотя теория квантового электромагнетизма была разработана почти 100 лет назад, физики до сих пор не знают, как вписать гравитацию в квантовую механику.
«Используя наше квантовое радио, мы хотим попытаться слушать и контролировать квантовые колебания тяжелых объектов, а также экспериментально исследовать, что происходит, когда вы смешиваете квантовую механику и гравитацию», – сказал Гели. «Такие эксперименты сложны, но в случае успеха мы сможем проверить, сможем ли мы создать квантовую суперпозицию самого пространства-времени, новую концепцию, которая проверила бы наше понимание как квантовой механики, так и общей теории относительности."