Muka kamungkinan anyar pikeun sénsor kuantum, jam atom jeung tés fisika fundamental, peneliti JILA geus ngembangkeun cara anyar "entangling" atawa interlinking sipat jumlah badag partikel. Dina prosésna, aranjeunna parantos nyiptakeun cara pikeun ngukur gugus atom anu ageung langkung akurat bahkan dina lingkungan anu ribut sareng gangguan.
Jam atom akurasi leuwih luhur, kayaning "jam pinset" digambarkeun di dieu, bisa hasil tina linking atawa "entangling" atom ku cara anyar ngaliwatan métode katelah "spin squeezing," nu hiji sipat atom diukur leuwih tepat ti batan. biasana diijinkeun dina mékanika kuantum ku cara nurunkeun precision nu sipat pelengkap diukur. Kiridit gambar: S. Burrows / JILA
Téhnik anyar dijelaskeun dina sapasang makalah anu diterbitkeun dina Alam. JILA mangrupikeun lembaga gabungan tina National Institute of Standards and Technology (NIST) sareng Universitas Colorado Boulder.
"Entanglement mangrupikeun grail suci élmu pangukuran," saur Ana Maria Rey, fisikawan téoritis sareng JILA sareng NIST Fellow.
"Atom mangrupikeun sénsor anu pangsaéna. Aranjeunna universal. Masalahna nyaeta aranjeunna objék kuantum, jadi aranjeunna intrinsik ribut. Nalika anjeun ngukur aranjeunna, sakapeung aranjeunna dina hiji kaayaan énergi, sakapeung aya dina kaayaan anu sanés. Nalika anjeun ngaganggu aranjeunna, anjeun tiasa ngatur ngabatalkeun sora.
Nalika atom kabeungkeut, naon anu lumangsung ka hiji atom mangaruhan sadaya atom anu kabeungkeut. Ngabogaan puluhan - leuwih hadé acan, ratusan - atom entangled gawé bareng ngurangan noise, sarta sinyal tina pangukuran janten jelas, leuwih pasti. Atom entangled ogé ngurangan jumlah kali élmuwan kudu ngajalankeun ukuran maranéhanana, meunang hasil dina waktu kirang.
Spintronics - konsép artistik. Kiridit gambar: Kreativitas103 via Flickr, CC BY 2.0
Salah sahiji cara entanglement nyaéta ku prosés anu disebut spin squeezing. Kawas sakabeh objék nu taat kana aturan fisika kuantum, atom bisa aya dina sababaraha kaayaan énergi sakaligus, hiji kamampuh katelah superposition. Spin squeezing ngurangan sakabeh jalma mungkin kaayaan superposition dina atom pikeun ngan sababaraha kamungkinan. Ieu kawas squeezing balon.
Lamun anjeun squeeze balon, tengah shrinks jeung tungtung sabalikna jadi badag. Nalika atom dipintal squeezed, rentang kaayaan mungkin aranjeunna tiasa sempit di sababaraha arah sarta expands di séjén.
Tapi éta langkung hese ngabeungkeut atom anu langkung tebih ti unggal anu sanés. Atom gaduh interaksi anu langkung kuat sareng atom anu pangdeukeutna; beuki jauh atom, beuki lemah interaksi maranéhanana.
Fisika kuantum, laut excitons - interpretasi artistik. Kiridit gambar: Sigmund via Unsplash, lisénsi gratis
Pikirkeun éta sapertos jalma ngobrol dina pésta anu ramé. Jalma anu pangdeukeutna tiasa gaduh paguneman, tapi jalma-jalma anu aya di rohangan bieu tiasa ngadangu aranjeunna, sareng inpormasina leungit dina jalur. Élmuwan hoyong sakabeh pihak atom ngobrol silih dina waktos anu sareng. Fisikawan di sakumna dunya sadayana ningali cara anu béda pikeun ngahontal kabeungharan éta.
"Tujuan utama di masarakat nyaéta pikeun ngahasilkeun nagara-nagara anu kabeungkeut pikeun nyandak pangukuran anu langkung akurat dina waktos anu langkung pondok," saur Adam Kaufman, saurang fisikawan sareng JILA Fellow.
Kaufman jeung Rey digawé babarengan dina usulan pikeun ngahontal entanglement éta, salah sahijina Rey sareng kolaborator na di Universitas Innsbruck di Austria nunjukkeun.
Dina percobaan ieu, tim dijejeran up 51 ion kalsium dina bubu sarta dipaké lasers pikeun ngainduksi interaksi antara aranjeunna. Ieu kusabab laser ngagumbirakeun fonon, geter sapertos gelombang sora antara atom.
Éta fonon nyebarkeun handap garis atom, linking aranjeunna babarengan. Dina percobaan saméméhna, tumbu ieu direkayasa janten statik, jadi hiji ion ngan bisa ngobrol jeung susunan husus ion lamun cahayana ku laser.
Nagara kuantum, fisika kuantum - interpretasi artistik. Kiridit gambar: Ben Wicks via Unsplash, lisénsi gratis
Ku nambahkeun médan magnét éksternal, éta mungkin nyieun Tumbu dinamis, tumuwuh sarta ngarobah kana waktu. Éta hartina hiji ion nu bisa ngobrol ngan hiji grup ion mimitina bisa ngobrol jeung grup béda, sarta ahirna, éta bisa ngobrol jeung sakabeh ion séjén dina Asép Sunandar Sunarya.
Ieu ngatasi masalah jarak éta, saur Rey, sareng interaksina kuat dugi ka handap garis atom. Ayeuna sadaya atom damel babarengan, sareng aranjeunna sadayana tiasa ngobrol silih tanpa kaleungitan pesen sapanjang jalan.
Dina waktu sakeudeung, ion-ion jadi entangled, ngabentuk kaayaan spin-squeezed, tapi ku waktu saeutik deui, aranjeunna robah jadi naon nu disebut kaayaan ucing. kaayaan ieu dingaranan percobaan pamikiran kawentar Erwin Schrodinger ngeunaan superposition, nu anjeunna ngajukeun yén a ucing trapped dina kotak téh duanana hirup jeung maot nepi ka kotak dibuka jeung kaayaanana bisa dititénan.
Pikeun atom, kaayaan ucing téh jenis husus tina superposisi nu atom-atom aya dina dua kaayaan diametrically sabalikna, kawas luhur jeung ka handap, dina waktos anu sareng. Nagara-nagara ucing pisan kabeungkeut, Rey nunjuk, ngajantenkeun aranjeunna saé pisan pikeun élmu pangukuran.
Léngkah satuluyna nyaéta pikeun nyobaan téknik ieu ku susunan atom dua diménsi, naékkeun jumlah atom pikeun ngaronjatkeun sabaraha lila maranéhna bisa cicing dina kaayaan kabeungkeut ieu. Salaku tambahan, éta berpotensi ngamungkinkeun para ilmuwan ngadamel pangukuran langkung tepat sareng langkung gancang.
Entanglement spin-squeezing ogé bisa nguntungkeun jam atom optik, nu mangrupa alat elmu pangukuran penting. Kaufman sareng grup na di JILA, sareng kolaborator di grup kolega NIST / JILA Jun Ye, nguji metode anu béda dina ulikan sejen dina masalah ieu ngeunaan Alam.
Para panalungtik ngamuat 140 atom strontium kana kisi optik, hiji pesawat cahaya tunggal pikeun nahan atom. Aranjeunna nganggo sinar cahaya anu dikontrol sacara halus, anu disebut pinset optik, pikeun nempatkeun atom-atom kana subgrup leutik masing-masing 16 dugi ka 70 atom.
Kalayan laser ultraviolét kakuatan tinggi, aranjeunna ngagumbirakeun atom janten superposisi tina kaayaan "jam" anu biasa sareng kaayaan Rydberg anu énergi anu langkung luhur. Téhnik ieu disebut ganti baju Rydberg.
Atom kaayaan jam téh kawas jalma sepi di pihak rame; aranjeunna teu kuat interaksi jeung batur. Tapi pikeun atom-atom dina kaayaan Rydberg, éléktron pangluarna jauh pisan ti puseur atom sahingga atom sacara éféktif ukuranana kacida gedéna, sangkan bisa berinteraksi leuwih kuat jeung atom séjén.
Ayeuna sakabeh pihak ngobrol. Kalawan téhnik spin-squeezing ieu, maranéhna bisa nyieun entanglement sakuliah sakabéh Asép Sunandar Sunarya 70 atom.
Para panalungtik ngabandingkeun pangukuran frékuénsi antara gugus 70-atom sarta manggihan yén entanglement ieu ningkat precision handap wates pikeun partikel unentangled, dipikawanoh salaku wates kuantum baku.
Pangukuran anu langkung gancang, langkung tepat bakal ngamungkinkeun jam ieu janten sensor anu langkung saé pikeun milarian masalah poék sareng ngahasilkeun pangukuran waktos sareng frékuénsi anu langkung saé.
Makalah:
Johannes Franke, Sean R. Muleady, Raphael Kaubruegger, Florian Kranzl, Rainer Blatt, Ana Maria Rey, Manoj K. Joshi jeung Christian F. Roos. Sensasi kuantum-ditingkatkeun dina transisi optik ngaliwatan interaksi rentang-terhingga. alam. 30 Agustus 2023. DOI: 10.1038 / s41586-023-06472-z
William J. Eckner, Nelson Darkwah Oppong, Alec Cao, Harun W. ngora, William R. Milner, John M. Robinson, Jun Ye jeung Adam M. Kaufman. Ngawujudkeun spin squeezing kalawan interaksi Rydberg dina jam optik. alam. 30 Agustus 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06360-6
sumber: NIST
