kvantointikohinaa

Kvantointikohina on ilmiö, jossa mittauksiin liittyy perustavaa laatua olevaa epävarmuutta kvanttimekaniikan vuoksi. Se ilmenee jo sellaisissa järjestelmissä, joissa ainetta tai sähkömagneettista kenttää mitataan hyvin pienin toleranssein, ja se voi rajoittaa mittauksen tarkkuutta tai tarjota mahdollisuuden hyödyntää kvanttirajoja teknologisissa sovelluksissa.

Kvantointikohinan päälähteet voidaan jakaa useisiin osatekijöihin. Yksi keskeinen on fotonien diskreetti luonne, eli shot noise: fotonien lukumäärän tilastollinen vaihtelu johtaa signaalin kohinaan, erityisesti kun mitattava virta koostuu pienestä määrästä fotoneja. Koherentin valon tapauksessa fotonien määrä noudattaa Poisson-tilastoa, jonka varianssi on sama kuin keskiarvo.

Toinen tärkeä osa on kenttien tyhjiöaste tai vacuum fluctuations sekä nollapistejännitys. Vaikka järjestelmä vaikuttaisi “hiljaiselta” tyhjiössä, elektromagneettisen kentän määräävät kvantittuneet modeelit tuottavat jatkuvaa epävarmuutta, joka voi välittyä mittaukseen esimerkiksi fotonien tai resonaattorin kautta.

Kolmas tekijä on mittauksen back-action eli mittausvaikutus, jossa itse mittausprosessi häiritsee järjestelmää. Tämä ilmenee erityisesti toisenlaisen quadraturen mittauksissa ja liittyy Heisenbergin epävarmuusperiaatteeseen. Yhdessä nämä rajoittavat niin sanottua standard quantum limitin (SQL), eli mittauksen teoreettista parasta mahdollista tarkkuutta.

Kvantointikohinan hallinta ja hyödyntäminen ovat keskeisiä muun muassa kvanttioptisissa sensoreissa, interferometreissä ja nanomekaanisissa järjestelmissä. Tekniset keinot, kuten valon quadratuurien puristaminen (squeezing) ja kvant nondemolition -mittaukset (QND), voivat vähentää kohinaa tietyissä ulottuvuuksissa ja parantaa herkkyyttä ilman teknistä kohinaa. Sovelluksia löytyy esimerkiksi gravitaatioaaltohavaintojen interferometreistä sekä muista erittäin herkistä mittausjärjestelmistä. Kvantointikohina määrittää monien mittausten perustasoa ja ohjaa sekä suunnittelua että tulkintaa kvantti-instrumenteissa.