Åpne nye muligheter for kvantesensorer, atomklokker og tester av grunnleggende fysikk, JILA-forskere har utviklet nye måter å "flette sammen" eller sammenkoble egenskapene til et stort antall partikler. I prosessen har de utviklet måter å måle store grupper av atomer mer nøyaktig selv i forstyrrende, støyende omgivelser.
Atomklokker med høyere nøyaktighet, for eksempel "pincetklokken" som er avbildet her, kan være et resultat av å koble sammen eller "sammenfiltre" atomer på en ny måte gjennom en metode kjent som "spinnklemming", der en egenskap til et atom måles mer nøyaktig enn er vanligvis tillatt i kvantemekanikk ved å redusere presisjonen som en komplementær egenskap måles i. Bildekreditt: S. Burrows/JILA
De nye teknikkene er beskrevet i et par artikler publisert i Nature. JILA er et felles institutt for National Institute of Standards and Technology (NIST) og University of Colorado Boulder.
"Entanglement er målevitenskapens hellige gral," sa Ana Maria Rey, en teoretisk fysiker og en JILA og NIST-stipendiat.
"Atomer er de beste sensorene noensinne. De er universelle. Problemet er at de er kvanteobjekter, så de er i seg selv støyende. Når du måler dem, noen ganger er de i én energitilstand, noen ganger er de i en annen tilstand. Når du vikler dem inn, kan du klare å avbryte støyen.»
Når atomer er viklet inn, påvirker det som skjer med ett atom alle atomene som er viklet inn i det. Å ha dusinvis – enda bedre, hundrevis – av sammenfiltrede atomer som jobber sammen reduserer støyen, og signalet fra målingen blir klarere, sikrere. Sammenfiltrede atomer reduserer også antall ganger forskere trenger å utføre målingene sine, og får resultater på kortere tid.
Spintronics – kunstnerisk konsept. Bildekreditt: Creativity103 via Flickr, CC BY 2.0
En måte å sammenfiltre er med en prosess som kalles spinnklemming. Som alle gjenstander som følger kvantefysikkens regler, kan atomer eksistere i flere energitilstander samtidig, en evne kjent som superposisjon. Spinnklemming reduserer alle de mulige superposisjonstilstandene i et atom til bare noen få muligheter. Det er som å klemme en ballong.
Når du klemmer ballongen, krymper midten og de motsatte endene blir større. Når atomer spinnklemmes, blir spekteret av mulige tilstander de kan være i smalere i noen retninger og utvides i andre.
Men det er vanskeligere å vikle atomer som er lenger unna hverandre. Atomer har sterkere interaksjoner med atomer som er nærmest dem; jo lenger unna atomene er, jo svakere er deres interaksjoner.
Kvantefysikk, hav av eksitoner – kunstnerisk tolkning. Bildekreditt: Sigmund via Unsplash, gratis lisens
Tenk på det som at folk snakker på en fullsatt fest. Folk som er nærmest hverandre kan føre en samtale, men de på andre siden av rommet kan knapt høre dem, og informasjonen går tapt langs linjen. Forskere vil at hele partiet av atomer skal snakke med hverandre samtidig. Fysikere over hele verden ser alle på forskjellige måter å oppnå den sammenfiltringen på.
"Et hovedmål i samfunnet er å produsere sammenfiltrede tilstander for å få målinger med høyere presisjon på kortere tid," sa Adam Kaufman, en fysiker og JILA-stipendiat.
Kaufman og Rey jobbet sammen om forslag for å oppnå den forviklingen, hvorav ett Rey og hennes samarbeidspartnere ved Universitetet i Innsbruck i Østerrike demonstrerte.
I dette eksperimentet stilte teamet opp 51 kalsiumioner i en felle og brukte lasere for å indusere interaksjoner mellom dem. Dette er fordi laseren eksiterer fononer, vibrasjoner på en måte som lydbølger mellom atomene.
Disse fononene sprer seg nedover linjen av atomer, og kobler dem sammen. I tidligere eksperimenter ble disse koblingene konstruert for å være statiske, så et ion kunne bare snakke med et spesifikt sett med ioner når det ble belyst av laserne.
Kvantetilstander, kvantefysikk – kunstnerisk tolkning. Bildekreditt: Ben Wicks via Unsplash, gratis lisens
Ved å legge til eksterne magnetiske felt var det mulig å gjøre koblingene dynamiske, vokse og endre seg over tid. Det betydde at et ion som kunne snakke med bare én gruppe ioner først kunne snakke med en annen gruppe, og til slutt var det i stand til å snakke med alle andre ioner i arrayet.
Dette overvinner det avstandsproblemet, sier Rey, og interaksjonene var sterke hele veien nedover atomlinjen. Nå jobbet alle atomene sammen, og de kunne alle snakke med hverandre uten å miste budskapet underveis.
I løpet av kort tid ble ionene viklet inn, og dannet en spinn-klemt tilstand, men med litt mer tid forvandlet de seg til det som kalles en kattetilstand. Denne tilstanden er oppkalt etter Erwin Schrodingers berømte tankeeksperiment om superposisjon, der han foreslo at en katten fanget i en boks er både levende og død til esken er åpnet og tilstanden kan observeres.
For atomer er en kattetilstand en spesiell type superposisjon der atomene er i to diametralt motsatte tilstander, som opp og ned, samtidig. Kattestater er svært sammenfiltrede, påpeker Rey, noe som gjør dem spesielt gode for målevitenskap.
Det neste trinnet vil være å prøve denne teknikken med et todimensjonalt utvalg av atomer, og øke antallet atomer for å forbedre hvor lenge de kan oppholde seg i disse sammenfiltrede tilstandene. I tillegg kan det potensielt la forskere gjøre målinger mer presist og mye raskere.
Spinnklemmende sammenfiltring kan også være til fordel for optiske atomklokker, som er et viktig vitenskapelig måleverktøy. Kaufman og hans gruppe ved JILA, sammen med samarbeidspartnere i NIST/JILA-kollega Jun Yes gruppe, testet en annen metode i en annen studie i denne utgaven av Nature.
Forskerne lastet 140 strontiumatomer inn i et optisk gitter, et enkelt lysplan for å holde atomene. De brukte fint kontrollerte lysstråler, kalt optisk pinsett, for å plassere atomene i små undergrupper på 16 til 70 atomer hver.
Med en ultrafiolett laser med høy effekt eksiterte de atomene til en superposisjon av deres vanlige "klokke"-tilstand og en Rydberg-tilstand med høyere energi. Denne teknikken kalles Rydberg dressing.
Klokkestatsatomene er som de stille menneskene på den overfylte festen; de samhandler ikke sterkt med andre. Men for atomer i Rydberg-staten er det ytterste elektronet så langt fra atomets senter at atomet faktisk er veldig stort i størrelse, noe som gjør det i stand til å samhandle sterkere med de andre atomene.
Nå snakker hele partiet. Med denne spinn-klemme-teknikken kan de skape sammenfiltring over hele utvalget av 70 atomer.
Forskerne sammenlignet frekvensmålinger mellom 70-atomgrupper og fant at denne sammenfiltringen forbedret presisjonen under grensen for ikke-sammenfiltrede partikler, kjent som standard kvantegrense.
Raskere, mer presise målinger vil tillate disse klokkene å være bedre sensorer for å søke etter mørk materie og produsere bedre tids- og frekvensmålinger.
Papirer:
Johannes Franke, Sean R. Muleady, Raphael Kaubruegger, Florian Kranzl, Rainer Blatt, Ana Maria Rey, Manoj K. Joshi og Christian F. Roos. Kvanteforbedret sansing på optiske overganger gjennom interaksjoner med begrenset rekkevidde. 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 og Adam M. Kaufman. Realiserer spinnklemming med Rydberg-interaksjoner i en optisk klokke. Natur. 30. august 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06360-6
kilde: NIST
