Eröffnet neue Möglichkeiten für Quantensensoren, Atomuhren und Tests der Grundlagenphysik haben JILA-Forscher neue Möglichkeiten entwickelt, die Eigenschaften einer großen Anzahl von Teilchen zu „verschränken“ oder miteinander zu verknüpfen. Dabei haben sie Möglichkeiten entwickelt, große Gruppen von Atomen auch in störenden, lauten Umgebungen genauer zu messen.
Atomuhren mit höherer Genauigkeit, wie die hier abgebildete „Pinzettenuhr“, könnten durch die Verknüpfung oder „Verschränkung“ von Atomen auf eine neue Art und Weise durch eine als „Spin-Squeezing“ bekannte Methode entstehen, bei der eine Eigenschaft eines Atoms genauer gemessen wird als wird in der Quantenmechanik normalerweise dadurch zugelassen, dass die Genauigkeit verringert wird, mit der eine komplementäre Eigenschaft gemessen wird. Bildnachweis: S. Burrows/JILA
Die neuen Techniken werden in zwei Artikeln beschrieben, die in veröffentlicht wurden Natur. JILA ist ein gemeinsames Institut des National Institute of Standards and Technology (NIST) und der University of Colorado Boulder.
„Verschränkung ist der heilige Gral der Messwissenschaft“, sagte Ana Maria Rey, theoretische Physikerin und JILA- und NIST-Stipendiatin.
„Atome sind die besten Sensoren aller Zeiten. Sie sind universell. Das Problem besteht darin, dass es sich um Quantenobjekte handelt und sie daher von Natur aus verrauscht sind. Wenn man sie misst, befinden sie sich manchmal in einem Energiezustand, manchmal in einem anderen. Wenn man sie verwickelt, kann man den Lärm unterdrücken.“
Wenn Atome verschränkt sind, wirkt sich das, was mit einem Atom geschieht, auf alle mit ihm verschränkten Atome aus. Wenn Dutzende – besser noch Hunderte – miteinander verschränkter Atome zusammenarbeiten, wird das Rauschen reduziert und das Signal der Messung wird klarer und sicherer. Verschränkte Atome verringern außerdem die Häufigkeit, mit der Wissenschaftler ihre Messungen durchführen müssen, sodass Ergebnisse in kürzerer Zeit erzielt werden.
Spintronik – künstlerisches Konzept. Bildnachweis: Creativity103 via flickr, CC VON 2.0
Eine Möglichkeit zur Verschränkung ist ein Prozess namens Spin-Squeezing. Wie alle Objekte, die den Regeln der Quantenphysik gehorchen, können Atome gleichzeitig in mehreren Energiezuständen existieren, eine Fähigkeit, die als Superposition bezeichnet wird. Spin-Squeezing reduziert alle möglichen Überlagerungszustände in einem Atom auf nur wenige Möglichkeiten. Es ist, als würde man einen Ballon zusammendrücken.
Wenn Sie den Ballon zusammendrücken, schrumpft die Mitte und die gegenüberliegenden Enden werden größer. Wenn Atome unter Spin-Squeeze leiden, verengt sich der Bereich möglicher Zustände, in denen sie sich befinden können, in manchen Richtungen und erweitert sich in anderen.
Aber es ist schwieriger, Atome zu verschränken, die weiter voneinander entfernt sind. Atome haben stärkere Wechselwirkungen mit Atomen, die ihnen am nächsten sind; Je weiter die Atome entfernt sind, desto schwächer sind ihre Wechselwirkungen.
Quantenphysik, Meer der Exzitonen – künstlerische Interpretation. Bildnachweis: Sigmund über Unsplash, kostenlose Lizenz
Stellen Sie sich das so vor, als würden sich die Leute auf einer überfüllten Party unterhalten. Personen, die einander am nächsten stehen, können sich unterhalten, aber diejenigen auf der anderen Seite des Raums können sie kaum hören, und die Informationen gehen auf der ganzen Linie verloren. Wissenschaftler wollen, dass alle Atome gleichzeitig miteinander kommunizieren. Physiker auf der ganzen Welt suchen nach unterschiedlichen Wegen, um diese Verschränkung zu erreichen.
„Ein Hauptziel der Gemeinschaft besteht darin, verschränkte Zustände zu erzeugen, um in kürzerer Zeit präzisere Messungen zu erhalten“, sagte Adam Kaufman, Physiker und JILA Fellow.
Kaufman und Rey arbeiteten gemeinsam an Vorschlägen, um diese Verflechtung zu erreichen, darunter einer Rey und ihre Mitarbeiter an der Universität Innsbruck in Österreich demonstrierten.
In diesem Experiment ordnete das Team 51 Kalziumionen in einer Falle an und nutzte Laser, um Wechselwirkungen zwischen ihnen auszulösen. Dies liegt daran, dass der Laser Phononen anregt, Schwingungen, die Schallwellen zwischen den Atomen ähneln.
Diese Phononen breiten sich entlang der Linie der Atome aus und verbinden sie miteinander. In früheren Experimenten waren diese Verbindungen statisch konstruiert, sodass ein Ion nur mit einem bestimmten Satz von Ionen kommunizieren konnte, wenn es von den Lasern beleuchtet wurde.
Quantenzustände, Quantenphysik – künstlerische Interpretation. Bildnachweis: Ben Wicks über Unsplash, kostenlose Lizenz
Durch das Hinzufügen externer Magnetfelder war es möglich, die Verbindungen dynamisch zu gestalten, sie wachsen und verändern sich im Laufe der Zeit. Das bedeutete, dass ein Ion, das zunächst nur mit einer Gruppe von Ionen kommunizieren konnte, mit einer anderen Gruppe kommunizieren konnte und schließlich mit allen anderen Ionen in der Anordnung kommunizieren konnte.
Dadurch wird dieses Abstandsproblem überwunden, sagt Rey, und die Wechselwirkungen waren auf der gesamten Linie der Atome stark. Jetzt arbeiteten alle Atome zusammen und konnten alle miteinander sprechen, ohne dabei die Botschaft zu verlieren.
Innerhalb kurzer Zeit verwickelten sich die Ionen und bildeten einen Spin-Squeeze-Zustand, doch mit etwas mehr Zeit verwandelten sie sich in einen sogenannten Katzenzustand. Dieser Zustand ist nach Erwin Schrödingers berühmtem Gedankenexperiment zur Überlagerung benannt, in dem er vorschlug, dass a Eine in einer Kiste gefangene Katze ist sowohl lebendig als auch tot bis der Karton geöffnet wird und sein Zustand beobachtet werden kann.
Für Atome ist ein Katzenzustand eine besondere Art der Überlagerung, bei der sich die Atome gleichzeitig in zwei diametral entgegengesetzten Zuständen befinden, z. B. oben und unten. Katzenzustände seien stark verflochten, betont Rey, weshalb sie sich besonders gut für die Messwissenschaft eignen.
Der nächste Schritt besteht darin, diese Technik mit einer zweidimensionalen Anordnung von Atomen auszuprobieren und dabei die Anzahl der Atome zu erhöhen, um die Verweildauer in diesen verschränkten Zuständen zu verbessern. Darüber hinaus könnte es Wissenschaftlern möglicherweise ermöglichen, Messungen präziser und viel schneller durchzuführen.
Die Spin-Squeezing-Verschränkung könnte auch optischen Atomuhren zugute kommen, die ein wichtiges wissenschaftliches Messinstrument sind. Kaufman und seine Gruppe am JILA testeten zusammen mit Mitarbeitern der Gruppe des NIST/JILA-Kollegen Jun Ye eine andere Methode eine weitere Studie in dieser Ausgabe von Natur.
Die Forscher luden 140 Strontiumatome in ein optisches Gitter, eine einzelne Lichtebene, um die Atome zu halten. Sie verwendeten fein gesteuerte Lichtstrahlen, sogenannte optische Pinzetten, um die Atome in kleine Untergruppen von jeweils 16 bis 70 Atomen zu unterteilen.
Mit einem Hochleistungs-Ultraviolettlaser regten sie die Atome in eine Überlagerung ihres üblichen „Uhr“-Zustands und eines energiereicheren Rydberg-Zustands an. Diese Technik wird Rydberg-Dressing genannt.
Die Uhrzustandsatome sind wie die ruhigen Leute auf der überfüllten Party; Sie interagieren nicht intensiv mit anderen. Bei Atomen im Rydberg-Zustand ist das äußerste Elektron jedoch so weit vom Zentrum des Atoms entfernt, dass das Atom tatsächlich sehr groß ist und daher stärker mit den anderen Atomen interagieren kann.
Jetzt redet die ganze Partei. Mit dieser Spin-Squeezing-Technik können sie die gesamte Anordnung von 70 Atomen verschränken.
Die Forscher verglichen Frequenzmessungen zwischen 70-Atom-Gruppen und stellten fest, dass diese Verschränkung die Präzision unterhalb der Grenze für unverschlungene Teilchen, der sogenannten Standardquantengrenze, verbesserte.
Durch schnellere und präzisere Messungen können diese Uhren bessere Sensoren für die Suche nach dunkler Materie sein und bessere Zeit- und Frequenzmessungen durchführen.
Papiere:
Johannes Franke, Sean R. Muleady, Raphael Kaubruegger, Florian Kranzl, Rainer Blatt, Ana Maria Rey, Manoj K. Joshi und Christian F. Roos. Quantenverstärkte Erfassung optischer Übergänge durch endliche Wechselwirkungen. 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 und Adam M. Kaufman. Spin-Squeezing mit Rydberg-Wechselwirkungen in einer optischen Uhr realisieren. Natur. 30. August 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06360-6
Quelle: NIST
