Otwieranie nowych możliwości dla czujniki kwantowe, zegary atomowe i testy z zakresu fizyki podstawowej, badacze z JILA opracowali nowe sposoby „splatania” lub łączenia właściwości dużej liczby cząstek. W ramach tego procesu opracowano sposoby dokładniejszego pomiaru dużych grup atomów nawet w zakłócającym i hałaśliwym otoczeniu.
Zegary atomowe o większej dokładności, takie jak przedstawiony tutaj „zegar pęsetowy”, mogą powstać w wyniku łączenia lub „splątania” atomów w nowy sposób za pomocą metody znanej jako „ściskanie spinu”, w której jedna właściwość atomu jest mierzona dokładniej niż jest zwykle dozwolone w mechanice kwantowej poprzez zmniejszenie precyzji pomiaru właściwości uzupełniającej. Źródło zdjęcia: S. Burrows/JILA
Nowe techniki opisano w dwóch artykułach opublikowanych w Natura. JILA jest wspólnym instytutem Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) i Uniwersytetu Colorado Boulder.
„Splątanie to święty Graal nauki o pomiarach” – stwierdziła Ana Maria Rey, fizyk teoretyczny oraz członek JILA i NIST.
„Atomy to najlepsze czujniki w historii. Są uniwersalne. Problem w tym, że są to obiekty kwantowe, więc z natury są hałaśliwe. Kiedy je mierzysz, czasami są w jednym stanie energetycznym, czasami w innym. Kiedy je splątasz, uda ci się wyciszyć hałas.
Kiedy atomy są splątane, to, co dzieje się z jednym atomem, wpływa na wszystkie splątane z nim atomy. Współpraca dziesiątek, a jeszcze lepiej setek, splątanych atomów zmniejsza szum, a sygnał z pomiaru staje się wyraźniejszy i pewniejszy. Splątane atomy zmniejszają także liczbę przeprowadzanych przez naukowców pomiarów, dzięki czemu wyniki można uzyskać w krótszym czasie.
Spintronika – koncepcja artystyczna. Źródło obrazu: Creativity103 za pośrednictwem Flickr, CC BY 2.0
Jednym ze sposobów splątania jest proces zwany ściskaniem spinu. Podobnie jak wszystkie obiekty podlegające prawom fizyki kwantowej, atomy mogą znajdować się w wielu stanach energetycznych jednocześnie, co nazywa się superpozycją. Zaciskanie spinu redukuje wszystkie możliwe stany superpozycji w atomie do zaledwie kilku możliwości. To jak ściskanie balonu.
Po ściśnięciu balonu środek kurczy się, a przeciwległe końce stają się większe. Kiedy atomy ulegają ściśnięciu spinowemu, zakres możliwych stanów, w jakich mogą się znajdować, zwęża się w niektórych kierunkach i rozszerza w innych.
Ale trudniej jest splątać atomy, które są dalej od siebie. Atomy oddziałują silniej z atomami, które są najbliżej nich; im dalej atomy, tym słabsze ich oddziaływania.
Fizyka kwantowa, morze ekscytonów – interpretacja artystyczna. Źródło obrazu: Zygmunt za pośrednictwem Unsplash, bezpłatna licencja
Pomyśl o tym jak o ludziach rozmawiających na zatłoczonej imprezie. Osoby znajdujące się najbliżej siebie mogą prowadzić rozmowę, ale osoby znajdujące się po drugiej stronie pokoju ledwo je słyszą, a informacje giną w dalszej części rozmowy. Naukowcy chcą, aby cała grupa atomów rozmawiała ze sobą w tym samym czasie. Fizycy na całym świecie szukają różnych sposobów osiągnięcia tego splątania.
„Głównym celem społeczności jest wytwarzanie stanów splątanych, aby uzyskać bardziej precyzyjne pomiary w krótszym czasie” – powiedział Adam Kaufman, fizyk i stypendysta JILA.
Kaufman i Rey pracowali razem nad propozycjami osiągnięcia tego splątania, z których jedna była jedna Rey i jej współpracownicy z Uniwersytetu w Innsbrucku w Austrii zademonstrowali.
W tym eksperymencie zespół umieścił w pułapce 51 jonów wapnia i za pomocą laserów wywołał interakcje między nimi. Dzieje się tak, ponieważ laser wzbudza fonony, czyli wibracje przypominające fale dźwiękowe między atomami.
Fonony rozprzestrzeniają się wzdłuż linii atomów, łącząc je ze sobą. We wcześniejszych eksperymentach łącza te projektowano tak, aby były statyczne, więc jon mógł rozmawiać z określonym zestawem jonów tylko pod wpływem światła laserów.
Stany kwantowe, fizyka kwantowa – interpretacja artystyczna. Źródło obrazu: Ben Wicks za pośrednictwem Unsplash, bezpłatna licencja
Dodając zewnętrzne pola magnetyczne, możliwe było, że linki stały się dynamiczne, rosły i zmieniały się w czasie. Oznaczało to, że jon, który potrafił rozmawiać tylko z jedną grupą jonów, mógł początkowo komunikować się z inną grupą, a ostatecznie był w stanie komunikować się ze wszystkimi pozostałymi jonami w układzie.
To rozwiązuje problem odległości, mówi Rey, a interakcje są silne na całej długości atomów. Teraz wszystkie atomy współpracowały ze sobą i mogły ze sobą rozmawiać, nie tracąc po drodze przesłania.
W krótkim czasie jony splątały się, tworząc stan ściśniętego spinu, ale po pewnym czasie przekształciły się w tak zwany stan kota. Stan ten został nazwany na cześć słynnego eksperymentu myślowego Erwina Schrodingera dotyczącego superpozycji, w którym zaproponował on, że a kot uwięziony w pudełku jest jednocześnie żywy i martwy do czasu otwarcia pudełka i sprawdzenia jego stanu.
W przypadku atomów stan kota jest szczególnym rodzajem superpozycji, w której atomy znajdują się jednocześnie w dwóch diametralnie przeciwnych stanach, np. w górę i w dół. Rey podkreśla, że stany kota są silnie splątane, co czyni je szczególnie przydatnymi w nauce o pomiarach.
Następnym krokiem będzie wypróbowanie tej techniki z dwuwymiarowym układem atomów, zwiększając liczbę atomów, aby poprawić czas, w jakim mogą one pozostawać w tych stanach splątanych. Ponadto mogłoby potencjalnie pozwolić naukowcom na dokładniejsze i znacznie szybsze dokonywanie pomiarów.
Splątanie polegające na ściskaniu spinu może również przynieść korzyści optycznym zegarom atomowym, które są ważnym narzędziem naukowym zajmującym się pomiarami. Kaufman i jego grupa w JILA, wraz ze współpracownikami z grupy kolegi z NIST/JILA, Jun Ye, przetestowali inną metodę w kolejne opracowanie w tym numerze Natura.
Naukowcy załadowali 140 atomów strontu do sieci optycznej, czyli pojedynczej płaszczyzny światła, w której mieszczą się atomy. Użyli precyzyjnie kontrolowanych wiązek światła, zwanych pęsetą optyczną, aby podzielić atomy na małe podgrupy po 16 do 70 atomów każda.
Za pomocą lasera ultrafioletowego o dużej mocy pobudzili atomy do superpozycji ich zwykłego stanu „zegarowego” i stanu Rydberga o wyższej energii. Technika ta nazywa się opatrunkiem Rydberga.
Atomy stanu zegara są jak cisi ludzie na zatłoczonym przyjęciu; nie wchodzą w silne interakcje z innymi. Jednak w przypadku atomów w stanie Rydberga najbardziej zewnętrzny elektron znajduje się tak daleko od środka atomu, że atom ma faktycznie bardzo duży rozmiar, co umożliwia mu silniejsze oddziaływanie z innymi atomami.
Teraz mówi cała partia. Dzięki tej technice ściskania spinu mogą stworzyć splątanie w całym układzie 70 atomów.
Naukowcy porównali pomiary częstotliwości między grupami składającymi się z 70 atomów i odkryli, że to splątanie poprawia precyzję poniżej granicy dla niesplątanych cząstek, znanej jako standardowa granica kwantowa.
Szybsze i dokładniejsze pomiary sprawią, że zegary te staną się lepszymi czujnikami do wyszukiwania ciemnej materii i będą zapewniać lepsze pomiary czasu i częstotliwości.
Dokumenty tożsamości:
Johannes Franke, Sean R. Muleady, Raphael Kaubruegger, Florian Kranzl, Rainer Blatt, Ana Maria Rey, Manoj K. Joshi i Christian F. Roos. Wzmocnione kwantowo wykrywanie przejść optycznych poprzez interakcje o skończonym zasięgu. Natura. 30 sierpnia 2023 r. 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 i Adam M. Kaufman. Realizacja ściskania spinu za pomocą oddziaływań Rydberga w zegarze optycznym. Natura. 30 sierpnia 2023 r. DOI: 10.1038/s41586-023-06360-6
Źródło: NIST
