Pagbubukas ng mga bagong posibilidad para sa mga sensor ng quantum, mga atomic na orasan at mga pagsubok ng pangunahing pisika, ang mga mananaliksik ng JILA ay nakabuo ng mga bagong paraan ng "pagkakabit" o pag-interlink sa mga katangian ng malaking bilang ng mga particle. Sa proseso, gumawa sila ng mga paraan upang sukatin ang malalaking grupo ng mga atom nang mas tumpak kahit na sa nakakagambala, maingay na kapaligiran.
Ang mas mataas na katumpakan ng mga atomic na orasan, tulad ng "tweezer clock" na inilalarawan dito, ay maaaring magresulta mula sa pag-uugnay o "pagsalubong" ng mga atomo sa isang bagong paraan sa pamamagitan ng isang paraan na kilala bilang "spin squeezing," kung saan ang isang katangian ng isang atom ay sinusukat nang mas tumpak kaysa sa ay karaniwang pinapayagan sa quantum mechanics sa pamamagitan ng pagbabawas ng katumpakan kung saan ang isang pantulong na ari-arian ay sinusukat. Credit ng larawan: S. Burrows/JILA
Ang mga bagong pamamaraan ay inilarawan sa isang pares ng mga papel na inilathala sa Kalikasan. Ang JILA ay isang pinagsamang institusyon ng National Institute of Standards and Technology (NIST) at ng University of Colorado Boulder.
"Ang pagkagambala ay ang banal na kopita ng agham ng pagsukat," sabi ni Ana Maria Rey, isang teoretikal na pisiko at isang JILA at NIST Fellow.
"Ang mga atom ay ang pinakamahusay na mga sensor kailanman. Ang mga ito ay pangkalahatan. Ang problema ay ang mga ito ay mga quantum object, kaya sila ay talagang maingay. Kapag sinukat mo ang mga ito, minsan nasa isang estado sila ng enerhiya, minsan nasa ibang estado sila. Kapag ginulo mo sila, maaari mong kanselahin ang ingay."
Kapag ang mga atom ay nakasalikop, kung ano ang mangyayari sa isang atom ay nakakaapekto sa lahat ng mga atomo na nakasalikop dito. Ang pagkakaroon ng dose-dosenang — mas mabuti pa, daan-daan — ng mga nakasabit na atomo na nagtutulungan ay nakakabawas sa ingay, at ang signal mula sa pagsukat ay nagiging mas malinaw, mas tiyak. Binabawasan din ng mga gusot na atomo ang dami ng beses na kailangang patakbuhin ng mga siyentipiko ang kanilang mga sukat, na nakakakuha ng mga resulta sa mas kaunting oras.
Spintronics – masining na konsepto. Credit ng larawan: Creativity103 sa pamamagitan ng Flickr, CC BY 2.0
Ang isang paraan ng gusot ay ang prosesong tinatawag na spin squeezing. Tulad ng lahat ng bagay na sumusunod sa mga panuntunan ng quantum physics, ang mga atom ay maaaring umiral sa maraming estado ng enerhiya nang sabay-sabay, isang kakayahang kilala bilang superposisyon. Binabawasan ng spin squeezing ang lahat ng posibleng superposition state sa isang atom sa ilang mga posibilidad lamang. Ito ay tulad ng pagpiga ng lobo.
Kapag pigain mo ang lobo, lumiliit ang gitna at mas malaki ang magkabilang dulo. Kapag pinipiga ang mga atomo, ang hanay ng mga posibleng estado na maaari nilang makitid sa ilang direksyon at lumalawak sa iba.
Ngunit mas mahirap isali ang mga atomo na mas malayo sa isa't isa. Ang mga atom ay may mas malakas na pakikipag-ugnayan sa mga atomo na pinakamalapit sa kanila; mas malayo ang mga atomo, mas mahina ang kanilang pakikipag-ugnayan.
Quantum physics, dagat ng mga excitons - artistikong interpretasyon. Credit ng larawan: Sigmund sa pamamagitan ng Unsplash, libreng lisensya
Isipin ito tulad ng mga taong nag-uusap sa isang masikip na party. Maaaring makipag-usap ang mga taong pinakamalapit sa isa't isa, ngunit halos hindi sila marinig ng mga nasa kabilang kwarto, at mawawala ang impormasyon sa linya. Nais ng mga siyentipiko na ang buong partido ng mga atom ay makipag-usap sa bawat isa nang sabay. Ang mga physicist sa buong mundo ay lahat ay tumitingin sa iba't ibang paraan upang makamit ang gusot na iyon.
"Ang isang pangunahing layunin sa komunidad ay upang makabuo ng mga gusot na estado upang makakuha ng mas mataas na katumpakan na mga sukat sa mas maikling panahon," sabi ni Adam Kaufman, isang physicist at JILA Fellow.
Nagtulungan sina Kaufman at Rey sa mga panukala para makamit ang gusot na iyon, isa na rito Nagpakita si Rey at ang kanyang mga collaborator sa University of Innsbruck sa Austria.
Sa eksperimentong ito, inilinya ng koponan ang 51 calcium ions sa isang bitag at gumamit ng mga laser upang mapukaw ang mga pakikipag-ugnayan sa pagitan nila. Ito ay dahil ang laser ay nagpapasigla sa mga phonon, mga vibrations na parang mga sound wave sa pagitan ng mga atomo.
Ang mga phonon na iyon ay kumakalat sa linya ng mga atom, na nag-uugnay sa mga ito. Sa mga naunang eksperimento, ang mga link na ito ay ginawang static, kaya ang isang ion ay maaari lamang makipag-usap sa isang partikular na hanay ng mga ion kapag naiilaw ng mga laser.
Quantum states, quantum physics – artistikong interpretasyon. Credit ng larawan: Ben Wicks sa pamamagitan ng Unsplash, libreng lisensya
Sa pamamagitan ng pagdaragdag ng mga panlabas na magnetic field, naging posible na gawing dynamic, lumalaki at nagbabago ang mga link sa paglipas ng panahon. Nangangahulugan iyon na ang isang ion na maaaring makipag-usap sa isang grupo lamang ng mga ion sa una ay maaaring makipag-usap sa ibang grupo, at sa huli, ito ay nakakausap sa lahat ng iba pang mga ion sa array.
Napagtagumpayan nito ang problema sa distansya, sabi ni Rey, at ang mga pakikipag-ugnayan ay malakas hanggang sa linya ng mga atomo. Ngayon ang lahat ng mga atomo ay nagtutulungan, at lahat sila ay maaaring makipag-usap sa isa't isa nang hindi nawawala ang mensahe sa daan.
Sa loob ng maikling panahon, ang mga ions ay nagkasalikop, na bumubuo ng isang spin-squeezed state, ngunit sa kaunting oras, sila ay nagbago sa tinatawag na isang cat state. Ang estadong ito ay pinangalanan para sa sikat na eksperimento sa pag-iisip ni Erwin Schrodinger tungkol sa superposisyon, kung saan iminungkahi niya na a Ang pusang nakulong sa isang kahon ay parehong buhay at patay hanggang sa mabuksan ang kahon at maobserbahan ang estado nito.
Para sa mga atom, ang cat state ay isang espesyal na uri ng superposition kung saan ang mga atom ay nasa dalawang diametrically opposed states, tulad ng pataas at pababa, sa parehong oras. Napakagulo ng mga estado ng pusa, itinuro ni Rey, na ginagawang mas mahusay ang mga ito para sa agham ng pagsukat.
Ang susunod na hakbang ay ang subukan ang diskarteng ito na may dalawang-dimensional na hanay ng mga atomo, pataasin ang bilang ng mga atomo upang mapabuti kung gaano katagal ang mga ito ay maaaring manatili sa mga gusot na estadong ito. Bukod pa rito, posibleng hayaan nito ang mga siyentipiko na gumawa ng mga sukat nang mas tumpak at mas mabilis.
Ang spin-squeezing entanglement ay maaari ding makinabang sa optical atomic clock, na isang mahalagang tool sa agham sa pagsukat. Si Kaufman at ang kanyang grupo sa JILA, kasama ang mga collaborator sa grupo ni NIST/JILA kasamahan ni Jun Ye, ay sumubok ng ibang paraan sa isa pang pag-aaral sa isyung ito ng Kalikasan.
Ang mga mananaliksik ay nag-load ng 140 strontium atoms sa isang optical lattice, isang solong eroplano ng liwanag upang hawakan ang mga atomo. Gumamit sila ng pinong kontroladong sinag ng liwanag, na tinatawag na optical tweezers, upang ilagay ang mga atomo sa maliliit na subgroup na 16 hanggang 70 atomo bawat isa.
Sa isang high-power na ultraviolet laser, nasasabik nila ang mga atom sa isang superposisyon ng kanilang karaniwang "orasan" na estado at isang mas mataas na enerhiya na estado ng Rydberg. Ang pamamaraan na ito ay tinatawag na Rydberg dressing.
Ang mga atomo ng estado ng orasan ay tulad ng mga tahimik na tao sa masikip na party; hindi sila malakas na nakikipag-ugnayan sa iba. Ngunit para sa mga atomo sa estado ng Rydberg, ang pinakamalayo na electron ay napakalayo mula sa gitna ng atom na ang atom ay epektibong napakalaki sa laki, na nagbibigay-daan sa pakikipag-ugnayan nito nang mas malakas sa iba pang mga atomo.
Ngayon ang buong party ay nag-uusap. Gamit ang spin-squeezing technique na ito, maaari silang lumikha ng gusot sa buong hanay ng 70 atoms.
Inihambing ng mga mananaliksik ang mga pagsukat ng dalas sa pagitan ng 70-atom na mga grupo at nalaman na ang pagkakasalungat na ito ay nagpabuti ng katumpakan sa ibaba ng limitasyon para sa mga hindi nakakabit na mga particle, na kilala bilang ang karaniwang limitasyon ng quantum.
Ang mas mabilis, mas tumpak na mga sukat ay magbibigay-daan sa mga orasan na ito na maging mas mahusay na mga sensor upang maghanap ng madilim na bagay at makagawa ng mas mahusay na oras at dalas ng mga sukat.
Mga Papel:
Johannes Franke, Sean R. Muleady, Raphael Kaubruegger, Florian Kranzl, Rainer Blatt, Ana Maria Rey, Manoj K. Joshi at Christian F. Roos. Quantum-enhanced sensing sa optical transition sa pamamagitan ng mga interaksyon na may hangganan. Kalikasan. Agosto 30, 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 at Adam M. Kaufman. Napagtatanto ang spin squeezing sa mga pakikipag-ugnayan ng Rydberg sa isang optical clock. Kalikasan. Agosto 30, 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06360-6
Source: NIST
