Új lehetőségek nyílnak meg számára kvantum érzékelők, atomórák és az alapvető fizika tesztjei, a JILA kutatói új módszereket fejlesztettek ki nagyszámú részecske tulajdonságainak „összegabalyodására” vagy összekapcsolására. A folyamat során olyan módszereket dolgoztak ki, amelyek segítségével még bomlasztó, zajos környezetben is pontosabban mérhetők nagy atomcsoportok.
Nagyobb pontosságú atomórák, mint például az itt ábrázolt „csipeszóra”, az atomok új módon történő összekapcsolásából vagy „összefonódásából” származhatnak a „spin squeezing” néven ismert módszerrel, amelyben az atom egy tulajdonságát pontosabban mérik, mint általában megengedett a kvantummechanikában a komplementer tulajdonság mérésének pontosságának csökkentésével. A kép forrása: S. Burrows/JILA
Az új technikákat a ben publikált cikkek ismertetik Nature. A JILA a National Institute of Standards and Technology (NIST) és a Colorado Boulder Egyetem közös intézete.
„Az összefonódás a méréstudomány szent grálja” – mondta Ana Maria Rey, elméleti fizikus, a JILA és a NIST munkatársa.
„Az atomok a valaha volt legjobb szenzorok. Univerzálisak. A probléma az, hogy ezek kvantumobjektumok, tehát alapvetően zajosak. Amikor megméred őket, néha egy energiaállapotban vannak, néha egy másik állapotban. Ha összekuszálja őket, sikerül kiiktatnia a zajt.”
Amikor az atomok összegabalyodnak, az, ami egy atommal történik, kihat az összes hozzágabalyodó atomra. A több tucat – még jobb, ha több száz – összegabalyodott atom együttes munkája csökkenti a zajt, és a mérésből származó jel tisztább, biztosabb lesz. Az összegabalyodott atomok csökkentik azt is, hogy a tudósoknak hányszor kell elvégezniük méréseiket, így rövidebb idő alatt érik el az eredményeket.
Spintronika – művészi koncepció. A kép jóváírása: Creativity103 via Flickr, CC BY 2.0
Az összefonódás egyik módja a spin-squeeing nevű eljárás. Mint minden objektum, amely engedelmeskedik a kvantumfizika szabályainak, az atomok egyszerre több energiaállapotban is létezhetnek, ezt a képességet szuperpozíciónak nevezik. A spin-sajtolás néhány lehetőségre csökkenti az atom összes lehetséges szuperpozíciós állapotát. Olyan ez, mint egy léggömböt szorítani.
Amikor összenyomja a ballont, a közepe összezsugorodik, és a szemközti vége nagyobb lesz. Amikor az atomokat spin-sajtolják, a lehetséges állapotok tartománya egyes irányban leszűkül, míg másokban kitágul.
De nehezebb összekuszálni az egymástól távolabb lévő atomokat. Az atomok erősebb kölcsönhatásban állnak a hozzájuk legközelebb eső atomokkal; minél távolabb vannak az atomok, annál gyengébb a kölcsönhatásuk.
Kvantumfizika, excitonok tengere – művészi interpretáció. A kép jóváírása: Sigmund az Unsplash segítségével, ingyenes licenc
Képzeld úgy, mintha egy zsúfolt bulin beszélgetnének. Az egymáshoz legközelebb állók beszélgethetnek, de a terem túloldalán lévők alig hallják őket, és az információ elvész. A tudósok azt akarják, hogy az atomok egész csoportja egyszerre beszéljen egymással. A fizikusok szerte a világon mind különböző módokon keresik ezt az összefonódást.
"A közösség egyik fő célja az összegabalyodott állapotok létrehozása, hogy nagyobb pontosságú méréseket lehessen elérni rövidebb idő alatt" - mondta Adam Kaufman fizikus és a JILA munkatársa.
Kaufman és Rey együtt dolgoztak azon javaslatokon, hogy elérjék ezt az összefonódást, amelyek közül az egyik Rey és munkatársai az ausztriai Innsbrucki Egyetemen demonstráltak.
Ebben a kísérletben a csapat 51 kalciumiont sorakoztat fel egy csapdában, és lézerekkel kölcsönhatásokat váltott ki közöttük. Ennek az az oka, hogy a lézer gerjeszti a fononokat, a rezgéseket, mint a hanghullámokat az atomok között.
Ezek a fononok szétterjedtek az atomok sorában, összekapcsolva őket. A korábbi kísérletekben ezeket a kapcsolatokat statikusra tervezték, így egy ion csak egy meghatározott ionkészlettel tudott beszélni, ha a lézer megvilágítja.
Kvantumállapotok, kvantumfizika – művészi értelmezés. A kép jóváírása: Ben Wicks az Unsplash segítségével, ingyenes licenc
Külső mágneses mezők hozzáadásával lehetővé vált a kapcsolatok dinamikussá tétele, az idő múlásával növekvő és változó. Ez azt jelentette, hogy egy ion, amely először csak egy ioncsoporttal tudott beszélni, egy másik csoporttal is tudott beszélni, végül pedig képes volt beszélni a tömb összes többi ionjával.
Ez legyőzi a távolság problémáját, mondja Rey, és a kölcsönhatások erősek voltak az atomok sorában. Most az összes atom együtt dolgozott, és mind tudtak beszélni egymással anélkül, hogy elveszítenék az üzenetet az út során.
Az ionok rövid időn belül összegabalyodtak, és egy spin-sajtolt állapotot hoztak létre, de kicsivel több idő elteltével átalakultak az úgynevezett macska állapotba. Ez az állapot Erwin Schrodinger híres szuperpozíciós gondolatkísérletéről kapta a nevét, amelyben azt javasolta, hogy a egy dobozba szorult macska él és hal amíg a dobozt fel nem nyitják és állapotát meg lehet figyelni.
Az atomok esetében a macskaállapot egy speciális szuperpozíció, amelyben az atomok két egymással szöges ellentétes állapotban vannak, például felfelé és lefelé, egyszerre. Rey rámutat, hogy a macskaállapotok nagyon összegabalyodtak, így különösen alkalmasak a méréstudomány számára.
A következő lépés az lesz, hogy kipróbáljuk ezt a technikát egy kétdimenziós atomsorral, növelve az atomok számát, hogy javítsuk, mennyi ideig maradhatnak ezekben az összegabalyodott állapotokban. Ezenkívül lehetővé teheti a tudósok számára, hogy pontosabban és sokkal gyorsabban végezzenek méréseket.
A forgó összefonódás az optikai atomórák számára is előnyös lehet, amelyek fontos méréstudományi eszközt jelentenek. Kaufman és csoportja a JILA-nál, valamint a NIST/JILA kolléga, Jun Ye csoport munkatársai egy másik módszert teszteltek egy másik tanulmány ebben a számában Nature.
A kutatók 140 stroncium atomot töltöttek be egy optikai rácsba, amely egyetlen fénysík tartja az atomokat. Finoman szabályozott fénysugarakat, úgynevezett optikai csipeszeket használtak, hogy az atomokat 16-70 atomos kis alcsoportokba helyezzék.
Nagy teljesítményű ultraibolya lézerrel gerjesztették az atomokat a szokásos „óra” állapotuk és egy nagyobb energiájú Rydberg-állapotuk szuperpozíciójába. Ezt a technikát Rydberg öltözködésnek nevezik.
Az óraállapotú atomok olyanok, mint a csendes emberek a zsúfolt bulin; nem lépnek erős interakcióba másokkal. A Rydberg-állapotú atomok esetében azonban a legkülső elektron olyan messze van az atom középpontjától, hogy az atom valójában nagyon nagy méretű, ami lehetővé teszi számára, hogy erősebb kölcsönhatásba lépjen a többi atommal.
Most az egész párt beszél. Ezzel a spin-squeesing technikával összefonódást tudnak létrehozni a teljes 70 atomból álló tömbön keresztül.
A kutatók összehasonlították a 70 atomos csoportok közötti frekvencia méréseket, és azt találták, hogy ez az összefonódás javította a pontosságot a nem összegabalyodott részecskék határértéke alatt, amelyet standard kvantumhatárként ismerünk.
A gyorsabb és precízebb mérések lehetővé teszik, hogy ezek az órák jobb érzékelők legyenek a sötét anyag keresésében, és jobb idő- és frekvenciaméréseket készítsenek.
Papírok:
Johannes Franke, Sean R. Muleady, Raphael Kaubruegger, Florian Kranzl, Rainer Blatt, Ana Maria Rey, Manoj K. Joshi és Christian F. Roos. Kvantummal továbbfejlesztett érzékelés az optikai átmeneteken véges tartományú kölcsönhatásokon keresztül. Természet. 30. augusztus 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 és Adam M. Kaufman. A spin-sajtolás megvalósítása Rydberg-kölcsönhatásokkal egy optikai órában. Természet. 30. augusztus 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06360-6
Forrás: NIST
