Åbner nye muligheder for kvantesensorer, atomure og test af fundamental fysik, har JILA-forskere udviklet nye måder at "sammenfiltre" eller sammenkæde egenskaberne af et stort antal partikler. I processen har de udtænkt måder at måle store grupper af atomer mere nøjagtigt selv i forstyrrende, støjende omgivelser.
Atomure med højere nøjagtighed, såsom "pincet-uret", der er afbildet her, kunne være resultatet af at sammenkæde eller "filtre" atomer på en ny måde gennem en metode kendt som "spinklemning", hvor en egenskab ved et atom måles mere præcist end er normalt tilladt i kvantemekanik ved at formindske den præcision, hvori en komplementær egenskab måles. Billedkredit: S. Burrows/JILA
De nye teknikker er beskrevet i et par artikler udgivet i Nature. JILA er et fælles institut for National Institute of Standards and Technology (NIST) og University of Colorado Boulder.
"Entanglement er målevidenskabens hellige gral," sagde Ana Maria Rey, en teoretisk fysiker og en JILA og NIST Fellow.
"Atomer er de bedste sensorer nogensinde. De er universelle. Problemet er, at de er kvanteobjekter, så de er iboende støjende. Når du måler dem, er de nogle gange i én energitilstand, nogle gange er de i en anden tilstand. Når du vikler dem ind, kan du klare at annullere støjen."
Når atomer er viklet ind, påvirker det, der sker med et atom, alle de atomer, der er viklet ind i det. At have snesevis - endnu bedre, hundredvis - af sammenfiltrede atomer, der arbejder sammen, reducerer støjen, og signalet fra målingen bliver klarere, mere sikkert. Sammenfiltrede atomer reducerer også antallet af gange, videnskabsmænd skal udføre deres målinger, hvilket får resultater på kortere tid.

Spintronics – kunstnerisk koncept. Billedkredit: Creativity103 via Flickr, CC BY 2.0
Et middel til sammenfiltring er med en proces kaldet spinklemning. Som alle objekter, der adlyder kvantefysikkens regler, kan atomer eksistere i flere energitilstande på én gang, en evne kendt som superposition. Spinklemning reducerer alle de mulige superpositionstilstande i et atom til blot nogle få muligheder. Det er som at klemme en ballon.
Når du klemmer ballonen, krymper midten, og de modsatte ender bliver større. Når atomer spinklemmes, bliver rækken af mulige tilstande, de kan være i, indsnævret i nogle retninger og udvides i andre.
Men det er sværere at vikle atomer, der er længere væk fra hinanden. Atomer har stærkere interaktioner med atomer, der er tættest på dem; jo længere væk atomerne er, jo svagere er deres interaktioner.

Kvantefysik, hav af excitoner – kunstnerisk fortolkning. Billedkredit: Sigmund via Unsplash, gratis licens
Tænk på det som folk, der taler til en overfyldt fest. Folk tættest på hinanden kan føre en samtale, men dem på tværs af lokalet kan næsten ikke høre dem, og informationen går tabt langs linjen. Forskere ønsker, at hele partiet af atomer taler med hinanden på samme tid. Fysikere rundt om i verden ser alle på forskellige måder at opnå denne sammenfiltring på.
"Et hovedmål i samfundet er at producere sammenfiltrede tilstande for at få målinger med højere præcision på kortere tid," sagde Adam Kaufman, en fysiker og JILA Fellow.
Kaufman og Rey arbejdede sammen om forslag til at opnå denne sammenfiltring, hvoraf det ene Rey og hendes samarbejdspartnere ved universitetet i Innsbruck i Østrig demonstrerede.
I dette eksperiment stillede holdet 51 calciumioner op i en fælde og brugte lasere til at fremkalde interaktioner mellem dem. Dette skyldes, at laseren exciterer fononer, vibrationer ligesom lydbølger mellem atomerne.
Disse fononer spredes ned ad rækken af atomer og forbinder dem sammen. I tidligere eksperimenter blev disse forbindelser konstrueret til at være statiske, så en ion kunne kun tale med et bestemt sæt ioner, når de blev belyst af laserne.

Kvantetilstande, kvantefysik – kunstnerisk fortolkning. Billedkredit: Ben Wicks via Unsplash, gratis licens
Ved at tilføje eksterne magnetfelter var det muligt at gøre forbindelserne dynamiske, vokse og ændre sig over tid. Det betød, at en ion, der kun kunne tale med én gruppe ioner, først kunne tale med en anden gruppe, og til sidst var den i stand til at tale med alle andre ioner i arrayet.
Dette overvinder det afstandsproblem, siger Rey, og interaktionerne var stærke hele vejen ned ad atomlinjen. Nu arbejdede alle atomerne sammen, og de kunne alle tale sammen uden at miste budskabet undervejs.
Inden for kort tid blev ionerne viklet ind og dannede en spin-klemt tilstand, men med lidt mere tid forvandlede de sig til det, der kaldes en kattetilstand. Denne tilstand er opkaldt efter Erwin Schrodingers berømte tankeeksperiment om superposition, hvor han foreslog, at en kat fanget i en kasse er både levende og død indtil kassen åbnes og dens tilstand kan observeres.
For atomer er en kattetilstand en særlig form for superposition, hvor atomerne er i to diametralt modsatte tilstande, ligesom op og ned, på samme tid. Kattetilstande er meget sammenfiltrede, påpeger Rey, hvilket gør dem særligt gode til målevidenskab.
Det næste trin vil være at prøve denne teknik med en todimensionel række af atomer, der øger antallet af atomer for at forbedre, hvor længe de kan forblive i disse sammenfiltrede tilstande. Derudover kunne det potentielt lade forskere foretage målinger mere præcist og meget hurtigere.
Spin-klemmende sammenfiltring kunne også gavne optiske atomure, som er et vigtigt videnskabeligt måleværktøj. Kaufman og hans gruppe på JILA testede sammen med samarbejdspartnere i NIST/JILA-kollega Jun Yes gruppe en anden metode i en anden undersøgelse i dette nummer af Nature.
Forskerne indlæste 140 strontiumatomer i et optisk gitter, et enkelt lysplan til at holde atomerne. De brugte fint kontrollerede lysstråler, kaldet optisk pincet, til at placere atomerne i små undergrupper på 16 til 70 atomer hver.
Med en ultraviolet laser med høj effekt exciterede de atomerne til en superposition af deres sædvanlige "ur"-tilstand og en Rydberg-tilstand med højere energi. Denne teknik kaldes Rydberg dressing.
Klokkestatsatomerne er som de stille mennesker til den overfyldte fest; de interagerer ikke stærkt med andre. Men for atomer i Rydberg-tilstanden er den yderste elektron så langt fra atomets centrum, at atomet reelt er meget stort i størrelse, hvilket gør det i stand til at interagere stærkere med de andre atomer.
Nu taler hele partiet. Med denne spin-squeezing-teknik kan de skabe sammenfiltring på tværs af hele rækken af 70 atomer.
Forskerne sammenlignede frekvensmålinger mellem 70-atomgrupper og fandt ud af, at denne sammenfiltring forbedrede præcisionen under grænsen for ikke-sammenfiltrede partikler, kendt som standard kvantegrænsen.
Hurtigere, mere præcise målinger vil gøre det muligt for disse ure at være bedre sensorer til at søge efter mørkt stof og producere bedre tids- og frekvensmålinger.
Papirer:
Johannes Franke, Sean R. Muleady, Raphael Kaubruegger, Florian Kranzl, Rainer Blatt, Ana Maria Rey, Manoj K. Joshi og Christian F. Roos. Kvanteforbedret sansning på optiske overgange gennem interaktioner med begrænset rækkevidde. Natur. 30. august 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 og Adam M. Kaufman. Realisering af spinklemning med Rydberg-interaktioner i et optisk ur. Natur. 30. august 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06360-6
Kilde: NIST