Die opening van nuwe moontlikhede vir kwantumsensors, atoomhorlosies en toetse van fundamentele fisika, het JILA-navorsers nuwe maniere ontwikkel om die eienskappe van groot getalle deeltjies te “verstrengel” of met mekaar te verbind. In die proses het hulle maniere bedink om groot groepe atome meer akkuraat te meet selfs in ontwrigtende, raserige omgewings.
Atoomhorlosies met groter akkuraatheid, soos die "pincethorlosie" wat hier uitgebeeld word, kan voortspruit uit die koppeling of "verstrengeling" van atome op 'n nuwe manier deur 'n metode bekend as "spin-knyp", waarin een eienskap van 'n atoom meer presies gemeet word as word gewoonlik in kwantummeganika toegelaat deur die akkuraatheid waarin 'n komplementêre eienskap gemeet word, te verminder. Beeldkrediet: S. Burrows/JILA
Die nuwe tegnieke word beskryf in 'n paar referate gepubliseer in Die natuur. JILA is 'n gesamentlike instituut van die Nasionale Instituut vir Standaarde en Tegnologie (NIST) en die Universiteit van Colorado Boulder.
"Verstrengeling is die heilige graal van metingswetenskap," het Ana Maria Rey, 'n teoretiese fisikus en 'n JILA- en NIST-genoot, gesê.
“Atome is die beste sensors ooit. Hulle is universeel. Die probleem is dat hulle kwantumvoorwerpe is, so hulle is intrinsiek raserig. Wanneer jy hulle meet, is hulle soms in een energietoestand, soms is hulle in 'n ander toestand. Wanneer jy hulle verstrik, kan jy dit regkry om die geraas te kanselleer.”
Wanneer atome verstrengel is, raak wat met een atoom gebeur al die atome wat daaraan verstrengel is. Deur dosyne - beter nog, honderde - van verstrengelde atome wat saamwerk, verminder die geraas, en die sein van die meting word duideliker, meer seker. Verstrengelde atome verminder ook die aantal kere wat wetenskaplikes hul metings moet uitvoer, en kry resultate in minder tyd.
Spintronika – artistieke konsep. Beeldkrediet: Creativity103 via Flickr, CC BY 2.0
Een manier van verstrengeling is met 'n proses genaamd spin-knyp. Soos alle voorwerpe wat die reëls van kwantumfisika gehoorsaam, kan atome in veelvuldige energietoestande gelyktydig bestaan, 'n vermoë wat bekend staan as superposisie. Spin-druk verminder al daardie moontlike superposisie-toestande in 'n atoom tot net 'n paar moontlikhede. Dit is soos om 'n ballon vas te druk.
Wanneer jy die ballon druk, krimp die middel en die teenoorgestelde punte word groter. Wanneer atome deur die spin saamgedruk word, vernou die reeks moontlike toestande wat hulle in sommige rigtings kan hê en vergroot in ander.
Maar dit is moeiliker om atome wat verder van mekaar af is, te verstrengel. Atome het sterker interaksies met atome wat die naaste aan hulle is; hoe verder die atome weg is, hoe swakker is hul interaksies.
Kwantumfisika, see van excitons – artistieke interpretasie. Beeldkrediet: Sigmund via Unsplash, gratis lisensie
Dink daaraan soos mense wat by 'n stampvol partytjie praat. Mense naaste aan mekaar kan 'n gesprek voer, maar diegene oorkant die kamer kan hulle skaars hoor, en die inligting raak verlore. Wetenskaplikes wil hê dat die hele party atome terselfdertyd met mekaar moet praat. Fisici regoor die wêreld kyk almal na verskillende maniere om daardie verstrengeling te bereik.
"'n Groot doel in die gemeenskap is om verstrengelde toestande te produseer om hoër-presisiemetings in 'n korter tyd te kry," het Adam Kaufman, 'n fisikus en JILA-genoot, gesê.
Kaufman en Rey het saamgewerk aan voorstelle om daardie verstrengeling te bereik, waarvan een Rey en haar medewerkers aan die Universiteit van Innsbruck in Oostenryk het gedemonstreer.
In hierdie eksperiment het die span 51 kalsiumione in 'n lokval geplaas en lasers gebruik om interaksies tussen hulle te veroorsaak. Dit is omdat die laser fonone opwek, vibrasies soort van soos klankgolwe tussen die atome.
Daardie fonone versprei langs die lyn van atome en verbind hulle saam. In vorige eksperimente is hierdie skakels ontwerp om staties te wees, so 'n ioon kon slegs met 'n spesifieke stel ione praat wanneer dit deur die lasers verlig word.
Kwantumtoestande, kwantumfisika – artistieke interpretasie. Beeldkrediet: Ben Wicks via Unsplash, gratis lisensie
Deur eksterne magnetiese velde by te voeg, was dit moontlik om die skakels dinamies te maak, met verloop van tyd te groei en te verander. Dit het beteken dat 'n ioon wat eers met net een groep ione kon praat, met 'n ander groep kon praat, en uiteindelik kon dit met alle ander ione in die skikking praat.
Dit oorkom daardie afstandprobleem, sê Rey, en die interaksies was sterk regdeur die lyn van atome. Nou het al die atome saamgewerk, en hulle kon almal met mekaar praat sonder om die boodskap langs die pad te verloor.
Binne 'n kort tydjie het die ione verstrengel geraak en 'n spin-uitgedrukte toestand gevorm, maar met 'n bietjie meer tyd het hulle verander in wat 'n kattoestand genoem word. Hierdie staat is vernoem na Erwin Schrodinger se beroemde gedagte-eksperiment oor superposisie, waarin hy voorgestel het dat a kat wat in 'n boks vasgevang is, is beide lewendig en dood totdat die boks oopgemaak is en die toestand daarvan waargeneem kan word.
Vir atome is 'n kattoestand 'n spesiale soort superposisie waarin die atome in twee diametraal teenoorgestelde toestande is, soos op en af, op dieselfde tyd. Katstate is hoogs verstrengel, wys Rey, wat hulle veral ideaal maak vir metingswetenskap.
Die volgende stap sal wees om hierdie tegniek te probeer met 'n tweedimensionele reeks atome, wat die aantal atome verhoog om te verbeter hoe lank hulle in hierdie verstrengelde toestande kan bly. Boonop kan dit wetenskaplikes moontlik meer presies en baie vinniger metings maak.
Spin-knyp-verstrengeling kan ook optiese atoomhorlosies bevoordeel, wat 'n belangrike meetwetenskapinstrument is. Kaufman en sy groep by JILA, saam met medewerkers in NIST/JILA-kollega Jun Ye se groep, het 'n ander metode getoets in 'n ander studie in hierdie uitgawe van Die natuur.
Die navorsers het 140 strontiumatome in 'n optiese rooster gelaai, 'n enkele ligvlak om die atome te hou. Hulle het fyn beheerde ligstrale, optiese pincet genoem, gebruik om die atome in klein subgroepe van 16 tot 70 atome elk te plaas.
Met 'n hoë-krag ultraviolet laser het hulle die atome opgewonde gemaak in 'n superposisie van hul gewone "klok" toestand en 'n hoër-energie Rydberg toestand. Hierdie tegniek word Rydberg dressing genoem.
Die klokstaatatome is soos die stil mense by die stampvol partytjie; hulle het nie sterk interaksie met ander nie. Maar vir atome in die Rydberg-toestand is die buitenste elektron so ver van die middelpunt van die atoom dat die atoom effektief baie groot in grootte is, wat dit in staat stel om sterker met die ander atome te interaksie.
Nou praat die hele party. Met hierdie spin-knyp-tegniek kan hulle verstrengeling oor die hele reeks van 70 atome skep.
Die navorsers het frekwensiemetings tussen 70-atoomgroepe vergelyk en gevind dat hierdie verstrengeling presisie onder die limiet vir onverstrengelde deeltjies, bekend as die standaard kwantumlimiet, verbeter het.
Vinniger, meer presiese metings sal hierdie horlosies toelaat om beter sensors te wees om na donker materie te soek en beter tyd- en frekwensiemetings te produseer.
vraestelle:
Johannes Franke, Sean R. Muleady, Raphael Kaubruegger, Florian Kranzl, Rainer Blatt, Ana Maria Rey, Manoj K. Joshi en Christian F. Roos. Kwantum-verbeterde waarneming op optiese oorgange deur eindige-reeks interaksies. Aard. 30 Augustus 2023. DOI: 10.1038 / s41586-023-06472-Z
William J. Eckner, Nelson Darkwah Oppong, Alec Cao, Aaron W. Young, William R. Milner, John M. Robinson, Jun Ye en Adam M. Kaufman. Besef spin-knyp met Rydberg-interaksies in 'n optiese horlosie. Aard. 30 Augustus 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06360-6
Bron: NIST
