Адкрываючы новыя магчымасці для квантавыя сэнсары, атамныя гадзіннікі і тэсты па фундаментальнай фізіцы, даследчыкі JILA распрацавалі новыя спосабы «пераблытвання» або ўзаемазвязвання ўласцівасцей вялікай колькасці часціц. У працэсе яны прыдумалі спосабы больш дакладнага вымярэння вялікіх груп атамаў нават у разбуральных, шумных умовах.
Больш дакладныя атамныя гадзіннікі, такія як "пінцэтныя гадзіны", намаляваныя тут, могуць быць вынікам злучэння або "пераблытвання" атамаў па-новаму з дапамогай метаду, вядомага як "спін-сквізз", у якім адна ўласцівасць атама вымяраецца больш дакладна, чым звычайна дапускаецца ў квантавай механіцы за кошт памяншэння дакладнасці, з якой вымяраецца дадатковая ўласцівасць. Аўтар выявы: S. Burrows/JILA
Новыя метады апісаны ў пары артыкулаў, апублікаваных у Прырода. JILA з'яўляецца сумесным інстытутам Нацыянальнага інстытута стандартаў і тэхналогій (NIST) і Універсітэта Каларада Боўлдэр.
"Заблытанасць - гэта святы Грааль навукі аб вымярэннях", - сказала Ана Марыя Рэй, фізік-тэарэтык і супрацоўнік JILA і NIST.
«Атамы - гэта найлепшыя сэнсары. Яны ўніверсальныя. Праблема ў тым, што яны з'яўляюцца квантавымі аб'ектамі, таму яны па сваёй сутнасці шумныя. Калі вы вымяраеце іх, часам яны знаходзяцца ў адным стане энергіі, часам яны знаходзяцца ў іншым стане. Калі вы заблытаеце іх, вы зможаце адмяніць шум».
Калі атамы заблытаныя, тое, што адбываецца з адным атамам, уплывае на ўсе заблытаныя атамы. Сумесная праца дзесяткаў, а яшчэ лепш сотняў заблытаных атамаў памяншае шум, а сігнал ад вымярэння становіцца больш выразным і дакладным. Заблытаныя атамы таксама скарачаюць колькасць вымярэнняў навукоўцам, атрымліваючы вынікі за меншы час.
Спінтроніка – мастацкая канцэпцыя. Крэдыт выявы: Creativity103 праз Flickr, CC BY 2.0
Адзін са сродкаў заблытвання - гэта працэс, які называецца выцісканне спіна. Як і ўсе аб'екты, якія падпарадкоўваюцца правілам квантавай фізікі, атамы могуць існаваць у некалькіх энергетычных станах адначасова, здольнасць, вядомая як суперпазіцыя. Спінавае сцісканне зводзіць усе магчымыя стану суперпазіцыі ў атаме да некалькіх магчымасцей. Гэта як сціскаць паветраны шарык.
Калі вы сціскаеце паветраны шар, сярэдзіна сціскаецца, а супрацьлеглыя канцы становяцца больш. Калі атамы сціснутыя па спіне, дыяпазон магчымых станаў, у якіх яны могуць знаходзіцца, звужаецца ў адных кірунках і пашыраецца ў іншых.
Але цяжэй заблытаць атамы, якія знаходзяцца далей адзін ад аднаго. Атамы мацней узаемадзейнічаюць з бліжэйшымі да іх атамамі; чым далей знаходзяцца атамы, тым слабейшае іх узаемадзеянне.
Квантавая фізіка, мора эксітонаў – мастацкая інтэрпрэтацыя. Крэдыт выявы: Sigmund праз Unsplash, бясплатная ліцэнзія
Думайце пра гэта як пра людзей, якія размаўляюць на шматлюднай вечарыне. Людзі, якія знаходзяцца побач адзін з адным, могуць размаўляць, але тыя, хто знаходзіцца ў пакоі, іх амаль не чуюць, і інфармацыя губляецца па лініі. Навукоўцы хочуць, каб уся група атамаў размаўляла паміж сабой адначасова. Фізікі ва ўсім свеце шукаюць розныя спосабы дасягнення гэтай заблытанасці.
«Галоўная мэта супольнасці - стварыць заблытаныя станы для атрымання больш дакладных вымярэнняў за меншы прамежак часу», - сказаў Адам Каўфман, фізік і супрацоўнік JILA.
Каўфман і Рэй разам працавалі над прапановамі, каб дасягнуць гэтай заблытанасці, адна з якіх Рэй і яе супрацоўнікі з Універсітэта Інсбрука ў Аўстрыі прадэманстравалі.
У гэтым эксперыменце каманда выбудавала 51 іён кальцыя ў пастку і выкарыстала лазеры, каб выклікаць узаемадзеянне паміж імі. Гэта таму, што лазер узбуджае фаноны, вібрацыі, падобныя на гукавыя хвалі паміж атамамі.
Гэтыя фаноны распаўсюджваюцца па лініі атамаў, злучаючы іх разам. У папярэдніх эксперыментах гэтыя сувязі былі спраектаваны як статычныя, таму іён мог размаўляць з пэўным наборам іёнаў толькі пры асвятленні лазерам.
Квантавыя станы, квантавая фізіка – мастацкая інтэрпрэтацыя. Аўтар выявы: Бэн Уікс праз Unsplash, бясплатная ліцэнзія
Дадаючы знешнія магнітныя палі, можна было зрабіць сувязі дынамічнымі, якія растуць і змяняюцца з цягам часу. Гэта азначала, што іён, які мог размаўляць толькі з адной групай іёнаў, спачатку мог размаўляць з іншай групай, і ў рэшце рэшт, ён быў у стане размаўляць з усімі астатнімі іёнамі ў масіве.
Гэта пераадольвае гэтую праблему адлегласці, кажа Рэй, і ўзаемадзеянне было моцным на ўсім шляху ўніз па лініі атамаў. Цяпер усе атамы працавалі разам, і ўсе яны маглі размаўляць адзін з адным, не губляючы паслання па дарозе.
За кароткі прамежак часу іёны пераблыталіся, утварыўшы спін-сціснуты стан, але крыху больш часу яны ператварыліся ў так званае кацінае стан. Гэты стан названы ў гонар знакамітага разумовага эксперыменту Эрвіна Шродзінгера аб суперпазіцыі, у якім ён выказаў здагадку, што а Кот, які трапіў у скрыню, адначасова жывы і мёртвы пакуль скрынка не будзе адкрыта і можна будзе назіраць за яе станам.
Для атамаў каціны стан - гэта асаблівы від суперпазіцыі, у якім атамы адначасова знаходзяцца ў двух дыяметральна супрацьлеглых станах, напрыклад уверх і ўніз. Каціныя станы вельмі заблытаныя, адзначае Рэй, што робіць іх асабліва выдатнымі для навукі аб вымярэнні.
Наступным крокам будзе паспрабаваць гэтую тэхніку з двухмерным масівам атамаў, павялічваючы колькасць атамаў, каб палепшыць, як доўга яны могуць заставацца ў гэтых заблытаных станах. Акрамя таго, гэта патэнцыйна можа дазволіць навукоўцам рабіць вымярэнні больш дакладна і значна хутчэй.
Заблытванне, якое сціскаецца спінам, таксама можа прынесці карысць аптычным атамным гадзіннікам, якія з'яўляюцца важным навуковым інструментам вымярэння. Каўфман і яго група ў JILA разам з супрацоўнікамі групы калегі Джун Е з NIST/JILA выпрабавалі іншы метад у яшчэ адно даследаванне ў гэтым выпуску Прырода.
Даследчыкі загрузілі 140 атамаў стронцыю ў аптычную рашотку, адну плоскасць святла для ўтрымання атамаў. Яны выкарыстоўвалі пучкі святла з дакладным кантролем, так званыя аптычныя пінцэты, каб размясціць атамы ў невялікія падгрупы па 16-70 атамаў у кожнай.
З дапамогай ультрафіялетавага лазера высокай магутнасці яны ўзбуджалі атамы ў суперпазіцыю іх звычайнага стану «гадзіны» і стану Рыдберга з большай энергіяй. Гэтая тэхніка называецца павязкай Ридберга.
Атамы ў стане гадзінніка падобныя на ціхіх людзей на шматлюднай вечарыне; яны не моцна ўзаемадзейнічаюць з іншымі. Але для атамаў у рыдбергаўскім стане крайні электрон знаходзіцца так далёка ад цэнтра атама, што атам фактычна мае вельмі вялікі памер, што дазваляе яму мацней узаемадзейнічаць з іншымі атамамі.
Цяпер уся партыя гаворыць. З дапамогай гэтай тэхнікі спін-сціскання яны могуць стварыць заблытанасць ва ўсім масіве з 70 атамаў.
Даследчыкі параўналі вымярэнні частаты паміж групамі з 70 атамаў і выявілі, што гэта заблытанасць палепшыла дакладнасць ніжэй мяжы для незаблытаных часціц, вядомай як стандартная квантавая мяжа.
Больш хуткія і дакладныя вымярэнні дазволяць гэтым гадзіннікам стаць лепшымі датчыкамі для пошуку цёмнай матэрыі і вырабляць лепшыя вымярэнні часу і частоты.
Даклады:
Ёханес Франке, Шон Р. Мулеадзі, Рафаэль Каўбругер, Фларыян Кранцль, Райнер Блат, Ана Марыя Рэй, Манодж К. Джошы і Крысціян Ф. Рус. Квантавае зандзіраванне аптычных пераходаў праз узаемадзеянне канчатковага дыяпазону. Прырода. 30 жніўня 2023 г. DOI: 10.1038 / s41586-023-06472-г
Уільям Дж. Экнер, Нэльсан Даркуа Оппонг, Алек Цао, Аарон У. Янг, Уільям Р. Мілнер, Джон М. Робінсан, Джун Е і Адам М. Каўфман. Рэалізацыя выціскання спіна з узаемадзеяннем Рыдберга ў аптычных гадзінах. Прырода. 30 жніўня 2023 г. DOI: 10.1038/s41586-023-06360-6
крыніца: NIST
