Avaa uusia mahdollisuuksia kvanttianturit, atomikellot ja perusfysiikan testit, JILA-tutkijat ovat kehittäneet uusia tapoja "kietoutua" tai yhdistää suuren määrän hiukkasten ominaisuuksia. Prosessissa he ovat kehittäneet tapoja mitata suuria atomiryhmiä tarkemmin jopa häiritsevässä, meluisassa ympäristössä.
Tarkemmat atomikellot, kuten tässä kuvattu "pinsettikello", voivat johtua atomien yhdistämisestä tai "kietoutumisesta" uudella tavalla menetelmällä, joka tunnetaan nimellä "spin squeezing", jossa atomin yksi ominaisuus mitataan tarkemmin kuin on yleensä sallittu kvanttimekaniikassa vähentämällä tarkkuutta, jolla täydentävä ominaisuus mitataan. Kuvan luotto: S. Burrows/JILA
Uusia tekniikoita kuvataan vuonna XNUMX julkaistuissa julkaisuissa Nature. JILA on National Institute of Standards and Technology (NIST) ja Colorado Boulderin yliopiston yhteinen instituutti.
"Soitto on mittaustieteen pyhä malja", sanoi Ana Maria Rey, teoreettinen fyysikko ja JILA- ja NIST-stipendiaatti.
"Atomit ovat kaikkien aikojen parhaita antureita. Ne ovat universaaleja. Ongelmana on, että ne ovat kvanttiobjekteja, joten ne ovat luonnostaan meluisia. Kun mittaat niitä, joskus ne ovat yhdessä energiatilassa, joskus toisessa tilassa. Kun soittelet ne, voit onnistua vaimentamaan melun."
Kun atomit ovat sotkeutuneet, se, mitä tapahtuu yhdelle atomille, vaikuttaa kaikkiin siihen sotkeutuneisiin atomeihin. Kymmenien – vielä parempi, satojen – kietoutuneiden atomien työskentely yhdessä vähentää kohinaa ja mittauksen signaali tulee selkeämmäksi ja varmemmaksi. Kietoutuvat atomit vähentävät myös sitä, kuinka monta kertaa tiedemiesten on suoritettava mittauksiaan, jolloin saadaan tuloksia lyhyemmässä ajassa.
Spintronics – taiteellinen konsepti. Kuvan luotto: Creativity103 kautta Flickr, CC 2.0
Yksi keino sotkeutua on prosessi, jota kutsutaan spin puristamiseksi. Kuten kaikki kvanttifysiikan sääntöjä noudattavat objektit, atomit voivat esiintyä useissa energiatiloissa samanaikaisesti, mikä on superpositio. Spin-puristaminen vähentää kaikki mahdolliset superpositiotilat atomissa vain muutamaan mahdollisuuteen. Se on kuin ilmapallon puristamista.
Kun puristat ilmapalloa, sen keskiosa kutistuu ja vastakkaiset päät suurenevat. Kun atomeja spinpuristetaan, niiden mahdollisten tilojen valikoima kaventaa joihinkin suuntiin ja laajenee toisiin.
Mutta kauempana toisistaan olevien atomien sotkeminen on vaikeampaa. Atomilla on voimakkaampi vuorovaikutus niitä lähinnä olevien atomien kanssa; mitä kauempana atomit ovat, sitä heikompi on niiden vuorovaikutus.
Kvanttifysiikka, eksitonien meri – taiteellinen tulkinta. Kuvan luotto: Sigmund Unsplashin kautta, ilmainen lisenssi
Ajattele sitä kuin ihmiset puhuisivat tungosta juhlissa. Lähimmät ihmiset voivat keskustella, mutta huoneen toisella puolella olevat ihmiset tuskin kuulevat niitä, ja tiedot katoavat. Tiedemiehet haluavat koko atomiryhmän puhuvan toisilleen samanaikaisesti. Fyysikot ympäri maailmaa etsivät erilaisia tapoja saavuttaa tämä sotkeutuminen.
"Yhteisön tärkein tavoite on tuottaa sotkeutuneita tiloja, jotta saadaan tarkempia mittauksia lyhyemmässä ajassa", sanoi Adam Kaufman, fyysikko ja JILA-stipendiaatti.
Kaufman ja Rey työskentelivät yhdessä ehdotusten parissa tämän sotkeutumisen saavuttamiseksi, joista yksi Rey ja hänen työtoverinsa Innsbruckin yliopistosta Itävallassa osoittivat mieltään.
Tässä kokeessa ryhmä asetti 51 kalsiumionia ansaan ja käytti lasereita indusoimaan niiden välistä vuorovaikutusta. Tämä johtuu siitä, että laser virittää fononeja, värähtelyjä ikään kuin ääniaaltoja atomien välillä.
Nämä fononit leviävät atomien linjaa pitkin ja yhdistävät ne toisiinsa. Aiemmissa kokeissa nämä linkit suunniteltiin staattisiksi, joten ioni pystyi puhumaan vain tietyn ionijoukon kanssa, kun ne valaisivat laserit.
Kvanttitilat, kvanttifysiikka – taiteellinen tulkinta. Kuvan luotto: Ben Wicks Unsplashin kautta, ilmainen lisenssi
Ulkoisia magneettikenttiä lisäämällä linkit pystyttiin tekemään dynaamisista, kasvavista ja muuttuvista ajan myötä. Tämä tarkoitti, että ioni, joka pystyi puhumaan vain yhdelle ioniryhmälle, saattoi aluksi puhua eri ryhmälle, ja lopulta se pystyi puhumaan kaikille muille ryhmän ioneille.
Tämä voittaa tuon etäisyysongelman, Rey sanoo, ja vuorovaikutukset olivat vahvoja koko atomilinjan ajan. Nyt kaikki atomit työskentelivät yhdessä, ja he kaikki pystyivät puhumaan toisilleen menettämättä viestiä matkan varrella.
Lyhyessä ajassa ionit sotkeutuivat ja muodostivat spin-puristetun tilan, mutta hieman pidemmän ajan kuluessa ne muuttuivat niin sanotuksi kissan tilaan. Tämä tila on nimetty Erwin Schrodingerin kuuluisan superpositiota koskevasta ajatuskokeesta, jossa hän ehdotti, että a laatikkoon jäänyt kissa on sekä elävä että kuollut kunnes laatikko avataan ja sen tilaa voidaan tarkkailla.
Atomille kissatila on erityinen superpositio, jossa atomit ovat kahdessa diametraalisesti vastakkaisessa tilassa, kuten ylös ja alas, samanaikaisesti. Kissan tilat ovat erittäin sotkeutuneet, Rey huomauttaa, mikä tekee niistä erityisen hyviä mittaustieteen kannalta.
Seuraava askel on kokeilla tätä tekniikkaa kaksiulotteisella atomijoukolla, lisäämällä atomien määrää parantaakseen sitä, kuinka kauan ne voivat pysyä näissä sotkeutuneissa tiloissa. Lisäksi se voisi mahdollisesti antaa tutkijoille mahdollisuuden tehdä mittauksia tarkemmin ja paljon nopeammin.
Pyöritystä puristavasta sotkeutumisesta voisi olla hyötyä myös optisille atomikelloille, jotka ovat tärkeä mittaustieteen työkalu. Kaufman ja hänen ryhmänsä JILAssa yhdessä NIST/JILA-kollegan Jun Yen ryhmän yhteistyökumppaneiden kanssa testasivat eri menetelmää toinen tutkimus tässä numerossa Nature.
Tutkijat ladasivat 140 strontiumatomia optiseen hilaan, yhteen valotasoon atomien pitämiseksi. He käyttivät hienosti ohjattuja valonsäteitä, joita kutsutaan optisiksi pinseteiksi, sijoittamaan atomit pieniin 16-70 atomin alaryhmiin.
Tehokkaan ultraviolettilaserin avulla ne virittivät atomit tavanomaisen "kello"-tilan ja korkeamman energian Rydberg-tilan superpositioon. Tätä tekniikkaa kutsutaan Rydberg-sidokseksi.
Kellotilan atomit ovat kuin hiljaiset ihmiset tungosta juhlissa; he eivät ole vahvasti vuorovaikutuksessa muiden kanssa. Mutta Rydberg-tilassa olevien atomien uloin elektroni on niin kaukana atomin keskustasta, että atomi on käytännössä erittäin suurikokoinen, mikä mahdollistaa sen vuorovaikutuksen voimakkaammin muiden atomien kanssa.
Nyt koko puolue puhuu. Tällä spin-puristamistekniikalla ne voivat luoda sotkeutumisen koko 70 atomin joukolle.
Tutkijat vertasivat taajuusmittauksia 70 atomin ryhmien välillä ja havaitsivat, että tämä kietoutuminen paransi tarkkuutta kietoutumattomien hiukkasten rajan alapuolelle, joka tunnetaan nimellä standardi kvanttiraja.
Nopeammat ja tarkemmat mittaukset mahdollistavat näiden kellojen olevan parempia antureita pimeän aineen etsimiseen ja parempien aika- ja taajuusmittausten tuottamiseen.
Paperit:
Johannes Franke, Sean R. Muleady, Raphael Kaubruegger, Florian Kranzl, Rainer Blatt, Ana Maria Rey, Manoj K. Joshi ja Christian F. Roos. Kvanttiparannettu tunnistus optisissa siirtymissä rajallisen alueen vuorovaikutusten kautta. Luonto. 30. elokuuta 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 ja Adam M. Kaufman. Spin puristamisen toteuttaminen Rydbergin vuorovaikutuksilla optisessa kellossa. Luonto. 30. elokuuta 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06360-6
Lähde: NIST
