Ouverture nei Méiglechkeeten fir Quantesensoren, Atomuhren an Tester vun der fundamentaler Physik, JILA Fuerscher hunn nei Weeër entwéckelt fir d'Eegeschafte vu grousser Zuel vu Partikelen ze "entangling" oder ze verbannen. Am Prozess hu si Weeër entwéckelt fir grouss Gruppe vun Atomer méi präzis ze moossen och a stéierend, lauter Ëmfeld.
Méi héich Genauegkeet Atomuhren, sou wéi d'"Tweezer Auer", déi hei ofgezeechent gëtt, kéinten aus der Verbindung oder "verstrengelen" Atomer op eng nei Manéier duerch eng Method als "Spin-Quetzen" entstoen, an där eng Eegeschafte vun engem Atom méi präzis gemooss gëtt wéi ass normalerweis an der Quantemechanik erlaabt andeems d'Präzisioun reduzéiert gëtt an där eng komplementär Eegeschafte gemooss gëtt. Bildkreditt: S. Burrows/JILA
Déi nei Technike ginn an engem Pair vu Pabeieren beschriwwen, déi am publizéiert goufen Natur. JILA ass e gemeinsamt Institut vum National Institute of Standards and Technology (NIST) an der University of Colorado Boulder.
"Entanglement ass den hellege Graal vun der Miesswëssenschaft," sot d'Ana Maria Rey, en theoretesche Physiker an e JILA an NIST Fellow.
"Atomer sinn déi bescht Sensoren jee. Si sinn universell. De Problem ass datt se Quantenobjekter sinn, sou datt se intrinsesch Kaméidi sinn. Wann Dir se moosst, heiansdo sinn se an engem Energiezoustand, heiansdo sinn se an engem aneren Zoustand. Wann Dir se verwéckelt, kënnt Dir et fäerdeg bréngen de Kaméidi ze annuléieren.
Wann Atomer ageklemmt sinn, beaflosst wat mat engem Atom geschitt all d'Atomer, déi domat ageklemmt sinn. Dosende - besser nach, Honnerte - vun entangled Atomer zesummen ze schaffen reduzéiert de Kaméidi, an d'Signal vun der Messung gëtt méi kloer, méi sécher. Entangled Atomer reduzéieren och d'Zuel vun de Mol d'Wëssenschaftler mussen hir Miessunge maachen, a kréien Resultater a manner Zäit.
Spintronics - artistesch Konzept. Bildkredit: Creativity103 via Medal, CC BY 2.0
Ee Mëttel fir Entanglement ass mat engem Prozess genannt Spin-Quetschen. Wéi all Objeten, déi d'Regele vun der Quantephysik befollegen, kënnen Atomer gläichzäiteg a verschidde Energiezoustand existéieren, eng Fäegkeet bekannt als Superpositioun. Spin Quetschen reduzéiert all déi méiglech Superpositiounszoustand an engem Atom op nëmmen e puer Méiglechkeeten. Et ass wéi e Ballon ze pressen.
Wann Dir de Ballon dréckt, schrumpft d'Mëtt an déi entgéintgesate Enden ginn méi grouss. Wann Atomer sinn spin gequetscht, der Gamme vu méiglech Staaten kann se an e puer Richtungen schmuel an expandéiert an anerer.
Awer et ass méi schwéier Atomer ze verwéckelen déi méi wäit vunenee sinn. Atomer hu méi staark Interaktioune mat Atomer, déi hinnen am nootste sinn; wat d'Atomer méi wäit ewech sinn, wat hir Interaktiounen méi schwaach sinn.
Quantephysik, Mier vun excitons - artistesch Interpretatioun. Bildkredit: Sigmund via Unsplash, fräi Lizenz
Denkt drun wéi d'Leit op enger voller Party schwätzen. D'Leit am nootste beieneen kënnen e Gespréich hunn, awer déi iwwer de Raum kënnen se kaum héieren, an d'Informatioun geet erof op d'Linn. D'Wëssenschaftler wëllen datt déi ganz Partie vun Atomer gläichzäiteg matenee schwätzen. Physiker ronderëm d'Welt kucken all verschidde Weeër fir dës Entanglement z'erreechen.
"E wichtegt Zil an der Gemeinschaft ass entangled Staaten ze produzéieren fir méi héich Präzisioun Miessunge a méi kuerzer Zäit ze kréien", sot den Adam Kaufman, e Physiker a JILA Fellow.
De Kaufman an de Rey hunn zesummen u Propositioune geschafft fir dës Entanglement z'erreechen, eng vun deenen De Rey an hir Kollaborateuren op der Universitéit Innsbruck an Éisträich hunn demonstréiert.
An dësem Experiment huet d'Team 51 Kalziumionen an enger Fal opgestallt a Laser benotzt fir Interaktiounen tëscht hinnen z'induzéieren. Dëst ass well de Laser Phononen opreegt, Schwéngungen ähnlech wéi Tounwellen tëscht den Atomer.
Déi Phonone verbreet d'Linn vun den Atomer erof, verbënnt se mateneen. A fréieren Experimenter goufen dës Links konstruéiert fir statesch ze sinn, sou datt en Ion nëmme mat engem spezifesche Set vun Ionen kéint schwätzen wann se vun de Laser beliicht ginn.
Quantestate, Quantephysik - artistesch Interpretatioun. Bildkredit: Ben Wicks via Unsplash, fräi Lizenz
Andeems Dir extern Magnéitfelder derbäi kënnt, war et méiglech d'Links dynamesch ze maachen, ze wuessen a mat der Zäit ze änneren. Dat huet gemengt en Ion, deen am Ufank nëmmen mat enger Grupp vun Ionen schwätze konnt, kéint mat enger anerer Grupp schwätzen, a schliisslech konnt et mat all aner Ionen an der Array schwätzen.
Dëst iwwerwannt dat Distanzproblem, seet de Rey, an d'Interaktioune ware staark bis op d'Linn vun den Atomer. Elo hunn all d'Atomer zesumme geschafft, a si konnten all matenee schwätzen ouni de Message ënnerwee ze verléieren.
Bannent enger kuerzer Zäit sinn d'Ionen verwéckelt ginn, an e Spin-gepressten Zoustand bilden, awer mat e bësse méi Zäit hunn se sech an dat wat e Kazstaat genannt gëtt transforméiert. Dëse Staat gëtt nom Erwin Schrodinger säi berühmte Gedankeexperiment iwwer Superpositioun benannt, an deem hie proposéiert huet datt a Kaz an enger Këscht agespaart ass souwuel lieweg wéi dout bis d'Këscht opgemaach ass a säin Zoustand kann observéiert ginn.
Fir Atomer ass e Kazstaat eng speziell Aart vu Superpositioun an där d'Atomer an zwee diametral opposéiert Staaten sinn, wéi erop an erof, zur selwechter Zäit. Cat Staaten sinn héich verwéckelt, Rey weist drop hin, datt se besonnesch gutt fir Miesswëssenschafte maachen.
De nächste Schrëtt ass dës Technik mat enger zweedimensionaler Array vun Atomer ze probéieren, d'Zuel vun den Atomer eropzesetzen fir ze verbesseren wéi laang se an dësen verwéckelte Staate kënne bleiwen. Zousätzlech kéint et potenziell d'Wëssenschaftler erlaben Miessunge méi präzis a vill méi séier ze maachen.
Spin-squeezing Entanglement kéint och optesch atomar Aueren profitéieren, déi e wichtegt Miesswëssenschaftsinstrument sinn. Kaufman a seng Grupp bei JILA, zesumme mat Kollaborateuren am NIST / JILA Kolleg Jun Ye senger Grupp, hunn eng aner Method getest an aner Etude an dëser Ausgab vun Natur.
D'Fuerscher hunn 140 Strontiumatome an en opteschen Gitter gelueden, eng eenzeg Liichtfläch fir d'Atomer ze halen. Si hunn fein kontrolléiert Liichtstrahlen, optesch Pinzette genannt, benotzt fir d'Atomer a kleng Ënnergruppen vu 16 bis 70 Atomer ze placéieren.
Mat engem High-Power ultraviolet Laser, hunn se d'Atomer an eng Superpositioun vun hirem gewéinleche "Auer"-Staat an e Rydberg-Staat mat héijer Energie begeeschtert. Dës Technik gëtt Rydberg Dressing genannt.
D'Auer Staat Atomer si wéi déi roueg Leit op der voller Partei; si interagéieren net staark mat aneren. Awer fir Atomer am Rydberg-Staat ass den äussersten Elektron sou wäit vum Zentrum vum Atom, datt den Atom effektiv ganz grouss an der Gréisst ass, wat et erméiglecht, méi staark mat den aneren Atomer ze interagéieren.
Elo schwätzt déi ganz Partei. Mat dëser Spin-Quetze-Technik kënne si Verstuerwen iwwer d'ganz Array vu 70 Atomer kreéieren.
D'Fuerscher hunn d'Frequenzmiessunge tëscht 70-Atomgruppen verglach a festgestallt datt dës Entanglement d'Präzisioun ënner der Limit fir onentangled Partikel verbessert, bekannt als Standard Quantelimit.
Méi séier, méi präzis Miessunge erlaben dës Aueren besser Sensoren ze sinn fir no donkel Matière ze sichen a besser Zäit- a Frequenzmiessungen ze produzéieren.
Pabeieren:
Johannes Franke, Sean R. Muleady, Raphael Kaubruegger, Florian Kranzl, Rainer Blatt, Ana Maria Rey, Manoj K. Joshi and Christian F. Roos. Quanteverbesserte Sensing op opteschen Iwwergäng duerch endlech-Gamme Interaktiounen. Natur. 30. Aug. 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 and Adam M. Kaufman. Realiséiere spin squeezing mat Rydberg Interaktiounen an engem opteschen Auer. Natur. 30. Aug. 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06360-6
Source: NIST
