Vill öppna nya möjligheter för exakta mätningar i kvantvärlden

Projektanslag 2022

Light strongly interacting with mechanical motion

Huvudsökande:
Witlef Wieczorek, docent i fysik

Medsökande:
Chalmers tekniska högskola
Andreas Isacsson 
Janine Splettstößer 
Philippe Tassin

 Lärosäte:
Chalmers tekniska högskola

Beviljat anslag:
27 miljoner kronor under fem år

Kvantfysik, eller kvantmekanik med ett annat namn, handlar om våra allra minsta partiklar. Och detta mikrokosmos fungerar inte som vår vanliga värld, för när vi rör oss ned mot storlekar på atomnivå ändrar sig de fysiska lagarna. Det kan tyckas svårt att greppa, men ger forskarna spännande möjligheter att förstå, utforska och förklara hur allting hänger ihop. 

– I kvantvärlden är det exempelvis helt naturligt att partiklar kan befinna sig i flera tillstånd och på olika platser samtidigt. Vi vet inte varför det är så, varför kvantfysiken har annorlunda lagar än de vi är vana vid. Men vi kan utnyttja den här typen av tillstånd för att skapa olika tillämpningar och användningsområden, säger Chalmersforskaren Witlef Wieczorek, som har ägnat en stor del av sitt forskningsliv åt att försöka kontrollera och manipulera kvanttillstånd.

Metod med många fördelar

Inom kvantfysiken är det viktigt att kunna göra så exakta mätningar som möjligt av mekanisk rörelse och partiklars position, bland annat för att kunna utforska krafter. Witlef Wieczorek och hans medarbetare ska nu ta sig an en utmaning som handlar just om avancerade mätningar, i ett projekt finansierat av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse. 

Projektet, som bygger på experiment, mänsklig expertis och artificiell intelligens, har som mål att skapa en stark interaktion mellan ljusets partiklar och mekanisk rörelse – något som ingen har lyckats med tidigare. Det kan i sin tur bana väg för nya, känsliga mätmetoder.

– Ljus består av partiklar, fotoner, och på samma sätt består även mekanisk rörelse av partiklar, som kallas fononer. Att skapa en stark interaktion mellan fotoner och fononer är en stor teknisk utmaning. Om vi lyckas kan vi skapa kvantmekaniska tillstånd som kan användas för att göra väldigt precisa mätningar av betydligt mindre krafter och rörelser än vad som är möjligt idag, säger han.

En fördel med den metod som forskarna vill utveckla är att den gör det möjligt att skapa kvantmekaniska tillstånd av mekanisk rörelse direkt i interaktionen med ljus. Det förenklar processen, som i dagsläget kräver fler steg än så. En annan viktig aspekt är att fotonerna ”lever vidare” efter interaktionen. Det gör att fotonerna kan mätas utan att de, och den kvantinformation de bär på, förstörs.

Viktig kunskap inom kvantteknologin

Med bättre och mer precisa mätmetoder kan många nya forskningsdörrar öppnas, framhåller Witlef Wieczorek.

– Kanske kan vi bättre mäta krafter som bara finns i den mikroskopiska världen och där det än så länge finns få mätmetoder: det gäller till exempel för det som kallas Casimirkrafter. Projektet kan också bana väg för att kunna mäta gravitation bättre i mikrokosmos, något som är svårt idag, säger han.

Ett annat viktigt användningsområde ligger inom kvantteknologi, ett område som utnyttjar kvantfysikaliska fenomen för att skapa nya teknologier och tekniska lösningar. Witlef Wieczorek hoppas att gruppens forskning kan leda till nya kvantsensorer och underlätta utvecklingen av så kallade kvantomvandlare. 

– Dessa kvantomvandlare är en viktig del av ett framtida kvantinternet: ett nätverk som kan koppla ihop kvantprocessorer, som kvantdatorer eller andra kvantenheter, över stora avstånd, säger han.

Samtidigt framhåller han att alla användningsområden och tillämpningar som projektet kan leda till troligtvis inte är synliga än.

– Om vi lyckas med vårt mål öppnar vi helt nya möjligheter inom samspelet mellan ljus och mekanisk rörelse. Vi vill skapa en ny metod, ett nytt verktyg, och hur detta kan utnyttjas på bästa sätt är något vi också ska utforska. Så även om vi har en plan tror jag vi kommer hitta nya och oväntade vägar under projektets gång, och upptäcka saker vi inte ens har tänkt på än, säger han.

Samarbete och kompletterande kunskap 

Han ser fram emot samarbetet med de andra projektmedlemmarna, som alla har sina expertområden som är viktiga för projektet.

– Det är inte enkelt att nå målet, och ingen av oss hade kunnat genomföra detta själva. Men tillsammans har vi verkligen goda förutsättningar, eftersom projektet sammanför forskare med en mängd olika, kompletterande kunskaper som behövs för att möta utmaningarna. Det här är en väldigt fin möjlighet som har öppnat sig tack vare anslaget, säger han.

Text Ulrika Ernström
Bild Johan Wingborg