گشودن امکانات جدید برای حسگرهای کوانتومیمحققان JILA، ساعت‌های اتمی و آزمایش‌های فیزیک بنیادی، روش‌های جدیدی برای «درهم‌تنیدگی» یا به هم‌پیوستن خواص تعداد زیادی ذره ایجاد کرده‌اند. در این فرآیند، آنها راه‌هایی ابداع کرده‌اند که گروه‌های بزرگی از اتم‌ها را با دقت بیشتری حتی در محیط‌های مخرب و پر سر و صدا اندازه‌گیری کنند.
ساعت‌های اتمی با دقت بالاتر، مانند «ساعت موچین» که در اینجا نشان داده شده است، می‌تواند ناشی از پیوند یا «درهم‌تنیدگی» اتم‌ها به روشی جدید از طریق روشی به نام «فشار چرخشی» باشد، که در آن یک ویژگی یک اتم با دقت بیشتری اندازه‌گیری می‌شود. معمولاً در مکانیک کوانتومی با کاهش دقت اندازه گیری یک ویژگی مکمل مجاز است. اعتبار تصویر: S. Burrows/JILA
تکنیک های جدید در یک جفت مقاله منتشر شده در طبیعت. JILA یک موسسه مشترک از موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) و دانشگاه کلرادو بولدر است.
آنا ماریا ری، فیزیکدان نظری و عضو JILA و NIST می گوید: «درهم تنیدگی جام مقدس علم اندازه گیری است.
اتم ها بهترین حسگرهای موجود هستند. جهانی هستند مشکل این است که آنها اجسام کوانتومی هستند، بنابراین ذاتاً نویز دارند. وقتی آنها را اندازه می گیرید، گاهی اوقات آنها در یک حالت انرژی هستند، گاهی اوقات در حالت دیگری هستند. وقتی آنها را در هم می‌گیرید، می‌توانید سر و صدا را از بین ببرید.»
وقتی اتم‌ها در هم پیچیده می‌شوند، اتفاقی که برای یک اتم می‌افتد بر تمام اتم‌های درهم‌تنیده با آن تأثیر می‌گذارد. وجود ده‌ها - بهتر است صدها - اتم درهم‌تنیده با هم کار کنند، نویز را کاهش می‌دهد و سیگنال حاصل از اندازه‌گیری واضح‌تر و قطعی‌تر می‌شود. اتم های درهم تنیده همچنین تعداد دفعاتی را که دانشمندان برای انجام اندازه گیری های خود نیاز دارند کاهش می دهند و در زمان کمتری به نتایج می رسند.
Spintronics - مفهوم هنری. اعتبار تصویر: Creativity103 via فلیکر، CC BY 2.0
یکی از ابزارهای درهم تنیدگی، فرآیندی به نام فشردن چرخشی است. مانند تمام اجسامی که از قوانین فیزیک کوانتومی پیروی می کنند، اتم ها می توانند همزمان در چندین حالت انرژی وجود داشته باشند، این توانایی به نام برهم نهی شناخته می شود. فشردن اسپین تمام آن حالات برهم نهی ممکن در یک اتم را به چند احتمال کاهش می دهد. مثل فشردن یک بادکنک است.
وقتی بادکنک را فشار می دهید، قسمت وسط آن کوچک می شود و انتهای مخالف بزرگتر می شود. هنگامی که اتم ها به صورت اسپین فشرده می شوند، دامنه حالت های ممکن که می توانند در برخی جهات باریک باشند و در برخی دیگر گسترش می یابد.
اما درهم تنیدگی اتم هایی که از یکدیگر دورتر هستند، سخت تر است. اتم‌ها برهمکنشهای قوی‌تری با اتم‌هایی دارند که به آنها نزدیک‌تر هستند. هر چه اتم ها دورتر باشند، برهمکنش آنها ضعیف تر است.
فیزیک کوانتومی، دریای اکسیتون ها - تفسیر هنری. اعتبار تصویر: Sigmund از طریق Unsplash، مجوز رایگان
به آن فکر کنید مانند افرادی که در یک مهمانی شلوغ صحبت می کنند. نزدیک ترین افراد به یکدیگر می توانند مکالمه داشته باشند، اما کسانی که در آن طرف اتاق هستند به سختی می توانند آنها را بشنوند و اطلاعات از بین می رود. دانشمندان می خواهند تمام گروه اتم ها همزمان با یکدیگر صحبت کنند. فیزیکدانان در سراسر جهان همه به دنبال راه های مختلفی برای دستیابی به این درهم تنیدگی هستند.
آدام کافمن، فیزیکدان و همکار JILA، گفت: «هدف اصلی در جامعه تولید حالت های درهم تنیده برای اندازه گیری با دقت بالاتر در مدت زمان کوتاه تر است.
کافمن و ری با هم روی پیشنهادهایی برای دستیابی به این درهم تنیدگی کار کردند که یکی از آنها بود ری و همکارانش در دانشگاه اینسبروک در اتریش تظاهرات کردند.
در این آزمایش، تیم 51 یون کلسیم را در یک تله ردیف کردند و از لیزر برای القای فعل و انفعالات بین آنها استفاده کردند. این به این دلیل است که لیزر فونون ها را تحریک می کند، ارتعاش هایی مانند امواج صوتی بین اتم ها.
این فونون ها در خط اتم ها پخش می شوند و آنها را به هم مرتبط می کنند. در آزمایش‌های قبلی، این پیوندها به گونه‌ای طراحی شده بودند که ثابت باشند، بنابراین یک یون تنها زمانی می‌توانست با مجموعه خاصی از یون‌ها صحبت کند که توسط لیزر روشن شود.
حالات کوانتومی، فیزیک کوانتومی - تفسیر هنری. اعتبار تصویر: Ben Wicks از طریق Unsplash، مجوز رایگان
با افزودن میدان‌های مغناطیسی خارجی، می‌توان پیوندها را پویا، رشد و تغییر کرد. این بدان معناست که یونی که می‌توانست با یک گروه از یون‌ها در ابتدا صحبت کند، می‌توانست با گروه دیگری صحبت کند و در نهایت می‌توانست با همه یون‌های دیگر در آرایه صحبت کند.
ری می گوید که این بر مشکل فاصله غلبه می کند و برهمکنش ها در تمام طول خط اتم ها قوی بودند. اکنون همه اتم ها با هم کار می کردند و همه آنها می توانستند بدون از دست دادن پیام در طول مسیر با یکدیگر صحبت کنند.
در مدت زمان کوتاهی، یون‌ها در هم پیچیده شدند و حالت فشرده‌شده‌ای را به وجود آوردند، اما با کمی زمان بیشتر، به حالتی تبدیل شدند که به آن حالت گربه می‌گویند. این حالت به دلیل آزمایش فکری معروف اروین شرودینگر در مورد برهم نهی نامگذاری شده است، که در آن او پیشنهاد کرد که گربه ای که در جعبه به دام افتاده است هم زنده است و هم مرده تا جعبه باز شود و بتوان وضعیت آن را مشاهده کرد.
برای اتم ها، حالت گربه نوع خاصی از برهم نهی است که در آن اتم ها در دو حالت کاملاً متضاد، مانند بالا و پایین، همزمان قرار دارند. ری اشاره می‌کند که حالت‌های گربه‌ها بسیار درهم‌تنیده هستند و به‌ویژه برای علم اندازه‌گیری عالی هستند.
گام بعدی این است که این تکنیک را با آرایه‌ای دو بعدی از اتم‌ها امتحان کنید و تعداد اتم‌ها را افزایش دهید تا مدت زمان ماندن آنها در این حالت‌های درهم تنیده را بهبود بخشد. علاوه بر این، به طور بالقوه می تواند به دانشمندان اجازه دهد تا اندازه گیری های دقیق تر و بسیار سریع تر انجام دهند.
درهم تنیدگی چرخشی می‌تواند برای ساعت‌های اتمی نوری نیز مفید باشد، که یک ابزار مهم علم اندازه‌گیری هستند. کافمن و گروهش در JILA، همراه با همکاران در گروه NIST/JILA، همکار Jun Ye، روش متفاوتی را در مطالعه دیگری در این شماره از طبیعت.
محققان 140 اتم استرانسیم را در یک شبکه نوری، یک صفحه نور برای نگه داشتن اتم ها، بارگذاری کردند. آنها از پرتوهای نوری با کنترل دقیقی به نام موچین نوری استفاده کردند تا اتم ها را در زیرگروه های کوچکی از 16 تا 70 اتم قرار دهند.
آنها با لیزر فرابنفش پرقدرت، اتم‌ها را به حالت برهم‌نهی حالت «ساعت» معمولی و حالت ریدبرگ با انرژی بالاتر برانگیختند. این تکنیک پانسمان Rydberg نام دارد.
اتم های حالت ساعت مانند افراد ساکت در مهمانی های شلوغ هستند. آنها به شدت با دیگران تعامل ندارند. اما برای اتم‌های ایالت ریدبرگ، بیرونی‌ترین الکترون آنقدر از مرکز اتم دور است که اندازه اتم بسیار بزرگ است و آن را قادر می‌سازد تا با اتم‌های دیگر تعامل قوی‌تری داشته باشد.
حالا همه طرف صحبت می کنند. با این تکنیک اسپین فشردن، آنها می توانند در کل آرایه 70 اتمی درهم تنیدگی ایجاد کنند.
محققان اندازه‌گیری‌های فرکانس را بین گروه‌های ۷۰ اتمی مقایسه کردند و دریافتند که این درهم‌تنیدگی باعث بهبود دقت زیر حد مجاز برای ذرات درهم‌تنیده، معروف به حد استاندارد کوانتومی می‌شود.
اندازه‌گیری‌های سریع‌تر و دقیق‌تر به این ساعت‌ها اجازه می‌دهد تا حسگرهای بهتری برای جستجوی ماده تاریک و اندازه‌گیری زمان و فرکانس بهتری داشته باشند.
اوراق:
یوهانس فرانکه، شان آر. مولدی، رافائل کائوبروگر، فلوریان کرانزل، راینر بلات، آنا ماریا ری، مانوج کی جوشی و کریستین اف روس. سنجش کوانتومی تقویت‌شده در انتقال‌های نوری از طریق برهمکنشهای برد محدود. طبیعت. 30 اوت 2023. DOI: 10.1038 / s41586-023-06472-Z
ویلیام جی. اکنر، نلسون دارکواه اوپونگ، الک کائو، آرون دبلیو یانگ، ویلیام آر. میلنر، جان ام. رابینسون، جون یه و آدام ام. کافمن. درک فشردن اسپین با فعل و انفعالات رایدبرگ در یک ساعت نوری. طبیعت. 30 اوت 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06360-6
منبع: NIST
