Откриване на нови възможности за квантови сензори, атомни часовници и тестове на фундаменталната физика, изследователите на JILA са разработили нови начини за „заплитане“ или взаимно свързване на свойствата на голям брой частици. В този процес те са измислили начини за по-точно измерване на големи групи атоми дори в разрушителни, шумни среди.
Атомни часовници с по-висока точност, като например „часовника с пинсети“, изобразен тук, могат да бъдат резултат от свързване или „заплитане“ на атоми по нов начин чрез метод, известен като „спиново изстискване“, при който едно свойство на атома се измерва по-точно от обикновено се допуска в квантовата механика чрез намаляване на точността, с която се измерва допълнително свойство. Кредит на изображението: S. Burrows/JILA
Новите техники са описани в двойка документи, публикувани в Природата. JILA е съвместен институт на Националния институт по стандарти и технологии (NIST) и Университета на Колорадо Боулдър.
„Заплитането е свещеният граал на науката за измерване“, каза Ана Мария Рей, теоретичен физик и сътрудник на JILA и NIST.
„Атомите са най-добрите сензори за всички времена. Те са универсални. Проблемът е, че те са квантови обекти, така че те са вътрешно шумни. Когато ги измервате, понякога те са в едно енергийно състояние, понякога са в друго състояние. Когато ги заплитате, можете да успеете да премахнете шума.
Когато атомите са заплетени, това, което се случва с един атом, засяга всички атоми, заплетени с него. Наличието на десетки - още по-добре, стотици - заплетени атоми, работещи заедно, намалява шума и сигналът от измерването става по-ясен, по-сигурен. Заплетените атоми също намаляват броя пъти, които учените трябва да извършат своите измервания, като получават резултати за по-малко време.
Спинтроника – художествена концепция. Кредит за изображение: Creativity103 чрез Flickr, CC BY 2.0
Едно средство за заплитане е с процес, наречен центрофугиране. Като всички обекти, които се подчиняват на правилата на квантовата физика, атомите могат да съществуват в множество енергийни състояния наведнъж, способност, известна като суперпозиция. Спиновото притискане намалява всички онези възможни състояния на суперпозиция в атома само до няколко възможности. Това е като стискане на балон.
Когато стиснете балона, средата се свива, а противоположните краища стават по-големи. Когато атомите са спинови, диапазонът от възможни състояния, в които те могат да бъдат, се стеснява в някои посоки и се разширява в други.
Но е по-трудно да се заплитат атоми, които са по-далеч един от друг. Атомите имат по-силни взаимодействия с атоми, които са най-близо до тях; колкото по-далеч са атомите, толкова по-слаби са техните взаимодействия.
Квантова физика, море от екситони – художествена интерпретация. Кредит на изображението: Sigmund чрез Unsplash, безплатен лиценз
Мислете за това като за хора, които говорят на многолюдно парти. Хората, които са най-близо един до друг, могат да водят разговор, но тези от другата страна на стаята едва ги чуват и информацията се губи по линията. Учените искат цялата група от атоми да говорят помежду си едновременно. Всички физици по света търсят различни начини за постигане на това заплитане.
„Основна цел в общността е да се произведат заплетени състояния, за да се получат по-прецизни измервания за по-кратък период от време“, каза Адам Кауфман, физик и сътрудник на JILA.
Кауфман и Рей работиха заедно върху предложения за постигане на това заплитане, едно от които Рей и нейните сътрудници от университета в Инсбрук в Австрия демонстрираха.
В този експеримент екипът подрежда 51 калциеви йона в капан и използва лазери, за да предизвика взаимодействия между тях. Това е така, защото лазерът възбужда фонони, вибрации нещо като звукови вълни между атомите.
Тези фонони се разпространяват надолу по линията на атомите, свързвайки ги заедно. В предишни експерименти тези връзки са проектирани да бъдат статични, така че йонът може да говори само с определен набор от йони, когато е осветен от лазерите.
Квантови състояния, квантова физика – художествена интерпретация. Кредит на изображението: Бен Уикс чрез Unsplash, безплатен лиценз
Чрез добавяне на външни магнитни полета беше възможно да се направят връзките динамични, нарастващи и променящи се с времето. Това означаваше, че йон, който можеше да говори само с една група йони, първоначално можеше да говори с различна група и в крайна сметка успя да говори с всички останали йони в масива.
Това преодолява този проблем с разстоянието, казва Рей, и взаимодействията са силни по целия път надолу по линията на атомите. Сега всички атоми работеха заедно и всички можеха да разговарят помежду си, без да загубят съобщението по пътя.
За кратко време йоните се заплитаха, образувайки състояние на въртене, но с малко повече време се трансформираха в това, което се нарича котешко състояние. Това състояние е кръстено на известния мисловен експеримент на Ервин Шрьодингер за суперпозиция, в който той предлага a котката, хваната в капан в кутия, е едновременно жива и мъртва докато кутията се отвори и състоянието й може да се наблюдава.
За атомите котешкото състояние е специален вид суперпозиция, в която атомите са в две диаметрално противоположни състояния, като нагоре и надолу, по едно и също време. Котешките състояния са силно заплетени, посочва Рей, което ги прави особено добри за науката за измерване.
Следващата стъпка ще бъде да опитате тази техника с двуизмерен масив от атоми, като увеличите броя на атомите, за да подобрите колко дълго могат да останат в тези заплетени състояния. Освен това потенциално може да позволи на учените да правят измервания по-прецизно и много по-бързо.
Заплитането със завъртане може да бъде от полза и за оптичните атомни часовници, които са важен научен инструмент за измерване. Кауфман и неговата група в JILA, заедно със сътрудници в групата на колегата на NIST/JILA Jun Ye, тестваха различен метод в друго проучване в този брой на Природата.
Изследователите са заредили 140 атома стронций в оптична решетка, една равнина на светлината, която да държи атомите. Те използваха фино контролирани лъчи светлина, наречени оптични пинсети, за да поставят атомите в малки подгрупи от 16 до 70 атома всяка.
С ултравиолетов лазер с висока мощност те възбуждат атомите в суперпозиция на обичайното им състояние „часовник“ и състояние на Ридберг с по-висока енергия. Тази техника се нарича Rydberg дресинг.
Атомите в часовниковото състояние са като тихите хора на претъпканото парти; те не взаимодействат силно с другите. Но за атомите в състояние на Ридберг най-външният електрон е толкова далеч от центъра на атома, че атомът е ефективно много голям по размер, което му позволява да взаимодейства по-силно с другите атоми.
Сега цялата партия говори. С тази техника на завъртане те могат да създадат заплитане в целия масив от 70 атома.
Изследователите сравняват измерванията на честотата между групи от 70 атома и откриват, че това заплитане подобрява прецизността под границата за незаплетени частици, известна като стандартна квантова граница.
По-бързите и по-прецизни измервания ще позволят на тези часовници да бъдат по-добри сензори за търсене на тъмна материя и да произвеждат по-добри измервания на времето и честотата.
документи:
Йоханес Франке, Шон Р. Мулеади, Рафаел Каубрюгер, Флориан Кранцл, Райнер Блат, Ана Мария Рей, Манодж К. Джоши и Кристиан Ф. Рус. Квантово подобрено усещане на оптични преходи чрез взаимодействия с краен обхват. Природата. 30 август 2023 г. DOI: 10.1038 / s41586-023-06472-Z
Уилям Дж. Екнер, Нелсън Даркуа Опонг, Алек Као, Арън У. Йънг, Уилям Р. Милнър, Джон М. Робинсън, Джун Йе и Адам М. Кауфман. Осъществяване на центрофугиране с Rydberg взаимодействия в оптичен часовник. Природата. 30 август 2023 г. DOI: 10.1038/s41586-023-06360-6
Източник: NIST
