Deschiderea de noi posibilități pentru senzori cuantici, ceasuri atomice și teste de fizică fundamentală, cercetătorii JILA au dezvoltat noi modalități de „încurcare” sau interconectare a proprietăților unui număr mare de particule. În acest proces, ei au conceput modalități de a măsura mai precis grupuri mari de atomi chiar și în medii perturbatoare și zgomotoase.
Ceasurile atomice de precizie mai mare, cum ar fi „ceasul cu pensetă” descris aici, ar putea rezulta din legarea sau „încurcarea” atomilor într-un mod nou printr-o metodă cunoscută sub denumirea de „strângere în rotație”, în care o proprietate a unui atom este măsurată mai precis decât este de obicei permisă în mecanica cuantică prin scăderea preciziei în care se măsoară o proprietate complementară. Credit imagine: S. Burrows/JILA
Noile tehnici sunt descrise într-o pereche de lucrări publicate în Natura. JILA este un institut comun al Institutului Național de Standarde și Tehnologie (NIST) și al Universității din Colorado Boulder.
„Entanglementul este Sfântul Graal al științei măsurării”, a spus Ana Maria Rey, fizician teoretician și membru JILA și NIST.
„Atomii sunt cei mai buni senzori vreodată. Ele sunt universale. Problema este că sunt obiecte cuantice, deci sunt intrinsec zgomotoase. Când le măsori, uneori sunt într-o stare de energie, alteori sunt într-o altă stare. Când le încurci, poți reuși să anulezi zgomotul.”
Când atomii sunt încâlciți, ceea ce se întâmplă cu un atom îi afectează pe toți atomii încâlciți cu el. Având zeci - și mai bine, sute - de atomi încâlciți care lucrează împreună reduce zgomotul, iar semnalul de la măsurare devine mai clar, mai sigur. Atomii încâlciți reduc, de asemenea, numărul de ocazii în care oamenii de știință trebuie să efectueze măsurătorile, obținând rezultate în mai puțin timp.
Spintronică – concept artistic. Credit imagine: Creativity103 via Flickr, CC BY 2.0
Un mijloc de încurcare este cu un proces numit stoarcere prin spin. La fel ca toate obiectele care se supun regulilor fizicii cuantice, atomii pot exista simultan în mai multe stări de energie, o abilitate cunoscută sub numele de suprapunere. Stoarcerea prin rotație reduce toate acele stări posibile de suprapunere într-un atom la doar câteva posibilități. Este ca și cum ai strânge un balon.
Când strângi balonul, mijlocul se micșorează, iar capetele opuse devin mai mari. Când atomii sunt stoarși în spin, gama de stări posibile în care se pot afla se îngustează în unele direcții și se extinde în altele.
Dar este mai greu să încurci atomii care sunt mai departe unul de celălalt. Atomii au interacțiuni mai puternice cu atomii care sunt cei mai apropiați de ei; cu cât atomii sunt mai departe, cu atât interacțiunile lor sunt mai slabe.
Fizică cuantică, mare de excitoni – interpretare artistică. Credit imagine: Sigmund prin Unsplash, licență gratuită
Gândiți-vă la asta ca la oameni care vorbesc la o petrecere aglomerată. Oamenii cei mai apropiați unul de celălalt pot avea o conversație, dar cei de dincolo de cameră abia le aud, iar informațiile se pierd pe linie. Oamenii de știință doresc ca întreg grupul de atomi să vorbească între ei în același timp. Fizicienii din întreaga lume caută cu toții modalități diferite de a realiza această încurcătură.
„Un obiectiv major în comunitate este de a produce stări încurcate pentru a obține măsurători de mai mare precizie într-un timp mai scurt”, a spus Adam Kaufman, fizician și JILA Fellow.
Kaufman și Rey au lucrat împreună la propuneri pentru a realiza această încurcătură, dintre care una Rey și colaboratorii ei de la Universitatea din Innsbruck din Austria au demonstrat.
În acest experiment, echipa a aliniat 51 de ioni de calciu într-o capcană și a folosit lasere pentru a induce interacțiuni între ei. Acest lucru se datorează faptului că laserul excită fononi, vibrații un fel de unde sonore între atomi.
Acei fononi se răspândesc pe linia de atomi, legându-i între ei. În experimentele anterioare, aceste legături au fost proiectate pentru a fi statice, astfel încât un ion ar putea vorbi doar cu un anumit set de ioni atunci când este iluminat de lasere.
Stări cuantice, fizică cuantică – interpretare artistică. Credit imagine: Ben Wicks prin Unsplash, licență gratuită
Adăugând câmpuri magnetice externe, a fost posibilă ca legăturile să fie dinamice, crescând și schimbându-se în timp. Asta însemna că un ion care putea vorbi doar cu un grup de ioni la început putea vorbi cu un alt grup și, în cele din urmă, a fost capabil să vorbească cu toți ceilalți ioni din matrice.
Acest lucru depășește acea problemă de distanță, spune Rey, iar interacțiunile au fost puternice până la linia atomilor. Acum toți atomii lucrau împreună și toți puteau vorbi între ei fără a pierde mesajul pe parcurs.
Într-o perioadă scurtă de timp, ionii s-au încurcat, formând o stare de spin-stors, dar cu puțin mai mult timp, s-au transformat în ceea ce se numește o stare de pisică. Această stare este numită după faimosul experiment de gândire al lui Erwin Schrodinger despre suprapunere, în care el a propus că un pisica prinsă într-o cutie este și vie și moartă până când se deschide cutia și se poate observa starea acesteia.
Pentru atomi, o stare de pisică este un tip special de suprapunere în care atomii sunt în două stări diametral opuse, cum ar fi sus și jos, în același timp. Stările pisicilor sunt foarte încurcate, subliniază Rey, ceea ce le face deosebit de grozave pentru știința măsurării.
Următorul pas va fi să încercăm această tehnică cu o matrice bidimensională de atomi, mărind numărul de atomi pentru a îmbunătăți cât timp pot rămâne în aceste stări încurcate. În plus, ar putea permite oamenilor de știință să facă măsurători mai precis și mult mai rapid.
Închegarea prin stoarcere prin rotire ar putea beneficia și de ceasurile atomice optice, care sunt un instrument științific de măsurare important. Kaufman și grupul său de la JILA, împreună cu colaboratorii din grupul colegului NIST/JILA Jun Ye, au testat o metodă diferită în un alt studiu în acest număr al Natura.
Cercetătorii au încărcat 140 de atomi de stronțiu într-o rețea optică, un singur plan de lumină pentru a reține atomii. Ei au folosit fascicule de lumină fin controlate, numite pensete optice, pentru a plasa atomii în subgrupuri mici de 16 până la 70 de atomi fiecare.
Cu un laser ultraviolet de mare putere, ei au excitat atomii într-o suprapunere a stării lor obișnuite de „ceas” și a unei stări Rydberg cu energie mai mare. Această tehnică se numește pansament Rydberg.
Atomii stării ceasului sunt ca oamenii liniștiți de la petrecerea aglomerată; nu interacționează puternic cu ceilalți. Dar pentru atomii din starea Rydberg, electronul cel mai exterior este atât de departe de centrul atomului încât atomul este efectiv foarte mare ca dimensiune, permițându-i să interacționeze mai puternic cu ceilalți atomi.
Acum toată petrecerea vorbește. Cu această tehnică de stoarcere prin spin, ei pot crea încurcături în întreaga gamă de 70 de atomi.
Cercetătorii au comparat măsurătorile de frecvență între grupuri de 70 de atomi și au descoperit că această încurcătură a îmbunătățit precizia sub limita particulelor neîncurcate, cunoscută sub numele de limita cuantică standard.
Măsurătorile mai rapide și mai precise vor permite acestor ceasuri să fie senzori mai buni pentru căutarea materiei întunecate și să producă măsurători mai bune de timp și frecvență.
Hârtii:
Johannes Franke, Sean R. Muleady, Raphael Kaubruegger, Florian Kranzl, Rainer Blatt, Ana Maria Rey, Manoj K. Joshi și Christian F. Roos. Detecție îmbunătățită cuantică asupra tranzițiilor optice prin interacțiuni cu interval finit. Natură. 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 și Adam M. Kaufman. Realizarea stoarcerii spinului cu interacțiunile Rydberg într-un ceas optic. Natură. 30 august 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06360-6
Sursa: NIST
