فتح إمكانيات جديدة ل مجسات الكموالساعات الذرية واختبارات الفيزياء الأساسية، طور باحثو معهد جيلا طرقًا جديدة "لتشابك" أو ربط خصائص أعداد كبيرة من الجسيمات. وفي هذه العملية، ابتكروا طرقًا لقياس مجموعات كبيرة من الذرات بدقة أكبر حتى في البيئات المزعجة والصاخبة.
الساعات الذرية ذات الدقة الأعلى، مثل "ساعة الملقط" الموضحة هنا، يمكن أن تنتج عن ربط أو "تشابك" الذرات بطريقة جديدة من خلال طريقة تعرف باسم "عصر السبين"، حيث يتم قياس خاصية واحدة للذرة بشكل أكثر دقة من تلك التي يُسمح به عادة في ميكانيكا الكم عن طريق تقليل الدقة التي يتم بها قياس الخاصية التكميلية. مصدر الصورة: إس بوروز/جيلا
يتم وصف التقنيات الجديدة في زوج من الأوراق المنشورة في طبيعة. JILA هو معهد مشترك بين المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) وجامعة كولورادو بولدر.
قالت آنا ماريا راي، عالمة الفيزياء النظرية وزميلة معهد JILA والمعهد الوطني للمعايير والتقنية (NIST): "إن التشابك هو الكأس المقدسة لعلم القياس".
"الذرات هي أفضل أجهزة الاستشعار على الإطلاق. إنها عالمية. المشكلة هي أنها كائنات كمومية، لذا فهي صاخبة في جوهرها. عندما تقيسها، أحيانًا تكون في حالة طاقة معينة، وأحيانًا تكون في حالة أخرى. عندما تشابكهم، يمكنك إلغاء الضوضاء."
عندما تتشابك الذرات، فإن ما يحدث لذرة واحدة يؤثر على جميع الذرات المتشابكة معها. إن وجود العشرات - أو المئات - من الذرات المتشابكة التي تعمل معًا يقلل من الضوضاء، وتصبح الإشارة الصادرة عن القياس أكثر وضوحًا وأكثر تأكيدًا. كما تقلل الذرات المتشابكة عدد المرات التي يحتاج فيها العلماء إلى إجراء قياساتهم، والحصول على النتائج في وقت أقل.
Spintronics – المفهوم الفني. حقوق الصورة: Creativity103 عبر فليكر، CC BY 2.0
إحدى وسائل التشابك هي عملية تسمى عصر الدوران. مثل كل الأشياء التي تخضع لقواعد فيزياء الكم، يمكن للذرات أن تتواجد في حالات طاقة متعددة في وقت واحد، وهي القدرة المعروفة باسم التراكب. يؤدي ضغط الدوران إلى تقليل كل حالات التراكب المحتملة في الذرة إلى عدد قليل من الاحتمالات. إنه مثل الضغط على بالون.
عندما تضغط على البالون، يتقلص الوسط ويصبح الطرفان المقابلان أكبر. عندما يتم ضغط الذرات بشكل مغزلي، فإن نطاق الحالات المحتملة التي يمكن أن تكون فيها يضيق في بعض الاتجاهات ويتوسع في اتجاهات أخرى.
لكن من الصعب تشابك الذرات البعيدة عن بعضها البعض. تتمتع الذرات بتفاعلات أقوى مع الذرات الأقرب إليها؛ كلما ابتعدت الذرات، ضعفت تفاعلاتها.
فيزياء الكم، بحر الإكسيتونات – التفسير الفني. مصدر الصورة: Sigmund عبر Unsplash، ترخيص مجاني
فكر في الأمر مثل الأشخاص الذين يتحدثون في حفلة مزدحمة. يمكن للأشخاص الأقرب إلى بعضهم البعض إجراء محادثة، لكن الأشخاص الموجودين في الغرفة بالكاد يسمعونهم، وتضيع المعلومات أسفل الخط. يريد العلماء أن تتحدث مجموعة الذرات بأكملها مع بعضها البعض في نفس الوقت. يبحث الفيزيائيون حول العالم عن طرق مختلفة لتحقيق هذا التشابك.
قال آدم كوفمان، الفيزيائي وزميل معهد جيلا: "إن الهدف الرئيسي في المجتمع هو إنتاج حالات متشابكة للحصول على قياسات أعلى دقة في فترة زمنية أقصر".
وقد عمل كوفمان وراي معًا على مقترحات لتحقيق هذا التشابك، أحدها وقد أظهرت راي ومعاونوها في جامعة إنسبروك في النمسا.
في هذه التجربة، صف الفريق 51 أيون كالسيوم في مصيدة واستخدموا الليزر لتحفيز التفاعلات بينهم. وذلك لأن الليزر يثير الفونونات، وهي اهتزازات تشبه الموجات الصوتية بين الذرات.
تنتشر هذه الفونونات عبر خط الذرات، وتربطها ببعضها البعض. في التجارب السابقة، تم تصميم هذه الروابط لتكون ثابتة، بحيث لا يستطيع الأيون التحدث إلى مجموعة محددة من الأيونات إلا عند إضاءتها بالليزر.
حالات الكم، فيزياء الكم – التفسير الفني. مصدر الصورة: بن ويكس عبر Unsplash، ترخيص مجاني
ومن خلال إضافة مجالات مغناطيسية خارجية، كان من الممكن جعل الروابط ديناميكية ومتنامية ومتغيرة مع مرور الوقت. وهذا يعني أن الأيون الذي يمكنه التحدث إلى مجموعة واحدة فقط من الأيونات في البداية يمكنه التحدث إلى مجموعة مختلفة، وفي النهاية، كان قادرًا على التحدث مع جميع الأيونات الأخرى في المصفوفة.
يقول راي إن هذا يتغلب على مشكلة المسافة، وكانت التفاعلات قوية على طول خط الذرات. والآن تعمل جميع الذرات معًا، ويمكنها جميعًا التحدث مع بعضها البعض دون فقدان الرسالة على طول الطريق.
وفي غضون فترة زمنية قصيرة، أصبحت الأيونات متشابكة، لتشكل حالة الضغط الدوراني، ولكن مع مرور المزيد من الوقت، تحولت إلى ما يسمى بحالة القطة. سُميت هذه الحالة على اسم تجربة إيروين شرودنجر الفكرية الشهيرة حول التراكب، والتي اقترح فيها أن أ القطة المحاصرة في صندوق هي حية وميتة حتى يتم فتح الصندوق ويمكن ملاحظة حالته.
بالنسبة للذرات، الحالة القطية هي نوع خاص من التراكب حيث تكون الذرات في حالتين متعارضتين تمامًا، مثل الأعلى والأسفل، في نفس الوقت. ويشير راي إلى أن حالات القطط متشابكة للغاية، مما يجعلها رائعة بشكل خاص في علم القياس.
ستكون الخطوة التالية هي تجربة هذه التقنية مع مجموعة ثنائية الأبعاد من الذرات، وزيادة عدد الذرات لتحسين المدة التي يمكن أن تبقى فيها في هذه الحالات المتشابكة. بالإضافة إلى ذلك، من المحتمل أن يسمح هذا للعلماء بإجراء قياسات أكثر دقة وأسرع بكثير.
يمكن أن يفيد التشابك المغزلي أيضًا الساعات الذرية الضوئية، والتي تعد أداة علمية مهمة للقياس. قام كوفمان ومجموعته في JILA، جنبًا إلى جنب مع المتعاونين في مجموعة Jun Ye، زميل NIST/JILA، باختبار طريقة مختلفة في دراسة أخرى في هذا العدد من طبيعة.
قام الباحثون بتحميل 140 ذرة من السترونتيوم في شبكة بصرية، وهي عبارة عن مستوى واحد من الضوء لحمل الذرات. واستخدموا أشعة ضوئية يتم التحكم فيها بدقة، تسمى ملاقط بصرية، لوضع الذرات في مجموعات فرعية صغيرة تتكون كل منها من 16 إلى 70 ذرة.
وباستخدام ليزر فوق بنفسجي عالي الطاقة، قاموا بإثارة الذرات إلى حالة تراكب لحالة "الساعة" المعتادة وحالة ريدبيرج ذات الطاقة الأعلى. تسمى هذه التقنية بخلع الملابس Rydberg.
تشبه ذرات حالة الساعة الأشخاص الهادئين في الحفلة المزدحمة؛ لا يتفاعلون بقوة مع الآخرين. لكن بالنسبة للذرات الموجودة في حالة ريدبيرج، فإن الإلكترون الخارجي يكون بعيدًا جدًا عن مركز الذرة بحيث تكون الذرة كبيرة جدًا في الحجم، مما يمكنها من التفاعل بقوة أكبر مع الذرات الأخرى.
الآن الحزب بأكمله يتحدث. باستخدام تقنية ضغط الدوران هذه، يمكنهم إنشاء تشابك عبر المجموعة الكاملة المكونة من 70 ذرة.
قارن الباحثون قياسات التردد بين مجموعات مكونة من 70 ذرة، ووجدوا أن هذا التشابك أدى إلى تحسين الدقة إلى ما دون الحد المسموح به للجسيمات غير المتشابكة، والمعروف باسم الحد الكمي القياسي.
ستسمح القياسات الأسرع والأكثر دقة لهذه الساعات بأن تكون أجهزة استشعار أفضل للبحث عن المادة المظلمة وإنتاج قياسات أفضل للوقت والتردد.
أوراق:
يوهانس فرانكي، شون ر. موليدي، رافائيل كوبرويجر، فلوريان كرانزل، راينر بلات، آنا ماريا ري، مانوج ك. جوشي، وكريستيان إف روس. الاستشعار المعزز الكمي عن التحولات البصرية من خلال التفاعلات محدودة المدى. طبيعة. 30 أغسطس 2023. معرف الهوية الرقمي: 10.1038 / s41586-023-06472-Z
ويليام جيه إيكنر، ونيلسون داركواه أوبونج، وأليك كاو، وآرون دبليو يونج، وويليام آر ميلنر، وجون إم روبنسون، وجون يي، وآدم إم كوفمان. تحقيق ضغط الدوران مع تفاعلات ريدبيرج في الساعة الضوئية. طبيعة. 30 أغسطس 2023. معرف الهوية الرقمي: 10.1038/s41586-023-06360-6
المصدر نيست
