Відкриття нових можливостей для квантові датчики, атомних годинників і тестів фундаментальної фізики, дослідники JILA розробили нові способи «переплутування» або взаємозв’язку властивостей великої кількості частинок. У процесі роботи вони винайшли способи більш точного вимірювання великих груп атомів навіть у небезпечних, шумних середовищах.
Більш точні атомні годинники, такі як зображений тут «пінцетний годинник», можуть бути результатом зв’язування або «сплутування» атомів новим способом за допомогою методу, відомого як «стиск обертання», за яким одна властивість атома вимірюється точніше, ніж зазвичай допускається в квантовій механіці шляхом зменшення точності, з якою вимірюється додаткова властивість. Кредит зображення: S. Burrows/JILA
Нові методи описані в парі документів, опублікованих у Природа. JILA є спільним інститутом Національного інституту стандартів і технологій (NIST) і Університету Колорадо Боулдер.
«Заплутаність — це святий Грааль науки про вимірювання», — сказала Ана Марія Рей, фізик-теоретик і співробітник JILA та NIST.
«Атоми — найкращі датчики. Вони універсальні. Проблема полягає в тому, що вони є квантовими об’єктами, тому вони за своєю суттю шумні. Коли ви їх вимірюєте, іноді вони в одному енергетичному стані, іноді в іншому. Коли ви заплутаєте їх, ви зможете придушити шум».
Коли атоми заплутані, те, що відбувається з одним атомом, впливає на всі атоми, які переплутані з ним. Наявність десятків, а ще краще сотень — переплутаних атомів, що працюють разом, зменшує шум, а сигнал від вимірювання стає чіткішим і точнішим. Заплутані атоми також зменшують кількість разів, які вчені повинні виконувати свої вимірювання, отримуючи результати за менший час.
Спінтроніка – художня концепція. Кредит зображення: Creativity103 через Flickr, CC BY 2.0
Одним із засобів заплутування є процес, який називається обертовим стисканням. Як і всі об’єкти, які підкоряються правилам квантової фізики, атоми можуть існувати в кількох енергетичних станах одночасно, ця здатність відома як суперпозиція. Спіновий стиснення зводить усі ці можливі стани суперпозиції в атомі лише до кількох можливостей. Це як стиснути повітряну кульку.
Коли ви стискаєте кульку, середина зменшується, а протилежні кінці стають більшими. Коли атоми стискаються по спіну, діапазон можливих станів, у яких вони можуть перебувати, звужується в одних напрямках і розширюється в інших.
Але важче сплутати атоми, які розташовані далі один від одного. Атоми сильніше взаємодіють з найближчими до них атомами; чим далі розташовані атоми, тим слабша їх взаємодія.
Квантова фізика, море екситонів – художня інтерпретація. Кредит зображення: Sigmund через Unsplash, безкоштовна ліцензія
Думайте про це як про людей, які розмовляють на багатолюдній вечірці. Найближчі люди можуть вести розмову, але ті, хто в кімнаті, ледь чують їх, і інформація втрачається. Вчені хочуть, щоб уся група атомів спілкувалася один з одним одночасно. Фізики в усьому світі шукають різні способи досягти такої сплутаності.
«Основною метою спільноти є створення заплутаних станів для отримання більш точних вимірювань за коротший проміжок часу», — сказав Адам Кауфман, фізик і член JILA.
Кауфман і Рей разом працювали над пропозиціями щодо досягнення цієї заплутаності, одна з яких Рей та її співробітники з університету Інсбрука в Австрії продемонстрували.
У цьому експерименті команда вишикувала 51 іон кальцію в пастку та використовувала лазери, щоб викликати взаємодію між ними. Це тому, що лазер збуджує фонони, вібрації, схожі на звукові хвилі між атомами.
Ці фонони поширюються по лінії атомів, з’єднуючи їх разом. У попередніх експериментах ці зв’язки були сконструйовані як статичні, тому іон міг спілкуватися з певним набором іонів лише під час освітлення лазерами.
Квантові стани, квантова фізика – художня інтерпретація. Автор зображення: Бен Вікс через Unsplash, безкоштовна ліцензія
Додавши зовнішні магнітні поля, можна було зробити зв’язки динамічними, зростаючими та змінюваними з часом. Це означало, що іон, який міг спілкуватися лише з однією групою іонів, спочатку міг спілкуватися з іншою групою, а згодом він міг спілкуватися з усіма іншими іонами в масиві.
Це долає цю проблему відстані, каже Рей, і взаємодії були сильними на всьому шляху вниз по лінії атомів. Тепер усі атоми працювали разом, і всі вони могли спілкуватися один з одним, не втрачаючи повідомлення по дорозі.
За короткий проміжок часу іони заплуталися, утворивши обертально-стиснутий стан, але трохи більше часу вони перетворилися на так званий котячий стан. Цей стан названо на честь відомого експерименту Ервіна Шредінгера про суперпозицію, в якому він запропонував, що a кіт, потрапив у коробку, живий і мертвий поки коробка не буде відкрита і її стан не можна буде спостерігати.
Для атомів котячий стан — це особливий вид суперпозиції, в якій атоми одночасно перебувають у двох діаметрально протилежних станах, наприклад, вгору і вниз. Котячі стани дуже заплутані, зазначає Рей, що робить їх особливо чудовими для вимірювальної науки.
Наступним кроком буде спробувати цю техніку з двовимірним масивом атомів, збільшуючи кількість атомів, щоб покращити, як довго вони можуть залишатися в цих заплутаних станах. Крім того, це потенційно може дозволити вченим робити вимірювання точніше та набагато швидше.
Спін-стиск заплутування може також принести користь оптичним атомним годинникам, які є важливим науковим інструментом вимірювання. Кауфман і його група в JILA разом із співробітниками групи колеги Джун Є з NIST/JILA випробували інший метод у ще одне дослідження в цьому випуску Природа.
Дослідники завантажили 140 атомів стронцію в оптичну решітку, єдину площину світла, щоб утримувати атоми. Вони використовували точно контрольовані промені світла, які називаються оптичними пінцетами, щоб помістити атоми в маленькі підгрупи по 16-70 атомів кожна.
За допомогою ультрафіолетового лазера високої потужності вони збуджували атоми в суперпозицію їхнього звичайного «годинникового» стану та стану Рідберга з вищою енергією. Ця методика називається пов'язкою Рідберга.
Атоми в стані годинника схожі на тихих людей на багатолюдній вечірці; вони не сильно взаємодіють з іншими. Але для атомів у стані Рідберга крайній електрон знаходиться настільки далеко від центру атома, що атом фактично має дуже великий розмір, що дозволяє йому сильніше взаємодіяти з іншими атомами.
Зараз вся партія говорить. За допомогою цієї техніки обертового стиснення вони можуть створити заплутаність у всьому масиві з 70 атомів.
Дослідники порівняли вимірювання частоти між групами з 70 атомів і виявили, що це заплутування покращило точність нижче межі для розплутаних частинок, відомої як стандартна квантова межа.
Швидші та точніші вимірювання дозволять цим годинникам стати кращими датчиками для пошуку темної матерії та виробляти кращі вимірювання часу та частоти.
Доклади:
Йоганнес Франке, Шон Р. Мулеаді, Рафаель Каубрюггер, Флоріан Кранцль, Райнер Блатт, Ана Марія Рей, Манодж К. Джоші та Крістіан Ф. Рус. Квантово-посилене відчуття оптичних переходів через взаємодії кінцевого діапазону. природа 30 серпня 2023 р. DOI: 10.1038 / s41586-023-06472-z
Вільям Дж. Екнер, Нельсон Даркуа Оппонг, Алек Као, Аарон В. Янг, Вільям Р. Мілнер, Джон М. Робінсон, Джун Є та Адам М. Кауфман. Реалізація обертового стискання з Рідберговими взаємодіями в оптичному годиннику. природа 30 серпня 2023 р. DOI: 10.1038/s41586-023-06360-6
джерело: NIST
