开启新的可能性 量子传感器、原子钟和基础物理测试，JILA 研究人员开发出了“纠缠”或互连大量粒子特性的新方法。在此过程中，他们设计了即使在干扰性、嘈杂的环境中也能更准确地测量大原子团的方法。
更高精度的原子钟，例如这里描述的“镊子钟”，可能是通过一种称为“自旋挤压”的方法以一种新的方式连接或“纠缠”原子而产生的，在这种方法中，原子的一个属性可以比原子的一个属性更精确地测量。在量子力学中，通常通过降低测量互补性质的精度来允许这种情况。图片来源：S. Burrows/JILA
这些新技术在发表于 的性质。 JILA 是美国国家标准与技术研究所 (NIST) 和科罗拉多大学博尔德分校的联合研究所。
“纠缠是测量科学的圣杯，”理论物理学家、JILA 和 NIST 研究员 Ana Maria Rey 说道。
“原子是有史以来最好的传感器。它们是通用的。问题在于它们是量子物体，所以它们本质上是有噪声的。当你测量它们时，有时它们处于一种能量状态，有时它们处于另一种状态。当你缠住它们时，你可以设法消除噪音。”
当原子纠缠时，一个原子发生的事情会影响与其纠缠的所有原子。让数十个（更好的是数百个）纠缠原子一起工作可以减少噪音，并且测量信号变得更清晰、更确定。纠缠的原子还减少了科学家需要进行测量的次数，从而在更短的时间内获得结果。
自旋电子学——艺术概念。图片来源：Creativity103 来自 Flickr的，CC BY 2.0
一种纠缠方式是使用称为自旋挤压的过程。像所有遵守量子物理规则的物体一样，原子可以同时存在于多种能态，这种能力称为叠加。自旋挤压将原子中所有可能的叠加态减少到几种可能性。就像挤压气球一样。
当你挤压气球时，中间会收缩，而两端会变大。当原子受到自旋挤压时，它们可能处于的状态范围在某些方向上会缩小，而在其他方向上会扩大。
但距离较远的原子更难纠缠。原子与距离它们最近的原子有更强的相互作用；原子距离越远，它们的相互作用就越弱。
量子物理，激子海——艺术诠释。图片来源：Sigmund，来自 Unsplash，免费许可
可以将其想象为人们在拥挤的聚会上交谈。彼此最亲近的人可以进行对话，但房间另一边的人几乎听不到他们的声音，并且信息会丢失。科学家希望整个原子组能够同时相互通信。世界各地的物理学家都在寻找不同的方法来实现这种纠缠。
“该社区的一个主要目标是产生纠缠态，以便在更短的时间内获得更高精度的测量，”物理学家兼 JILA 研究员 Adam Kaufman 说。
考夫曼和雷伊共同制定了实现这种纠缠的提案，其中之一 雷伊和她在奥地利因斯布鲁克大学的合作者进行了演示。
在这个实验中，研究小组将 51 个钙离子排列在一个陷阱中，并使用激光诱导它们之间的相互作用。这是因为激光会激发声子，这种振动有点像原子之间的声波。
这些声子沿着原子线传播，将它们连接在一起。在之前的实验中，这些链接被设计为静态的，因此当被激光照射时，离子只能与一组特定的离子进行通信。
量子态，量子物理学——艺术诠释。图片来源：Ben Wicks，来自 Unsplash，免费许可
通过添加外部磁场，可以使链接变得动态、随着时间的推移而增长和变化。这意味着一开始只能与一组离子通信的离子可以与另一组离子通信，最终它能够与阵列中的所有其他离子通信。
雷伊说，这克服了距离问题，并且沿着原子线一路相互作用都很强烈。现在所有的原子都在一起工作，它们都可以互相交谈而不会丢失沿途的信息。
在很短的时间内，离子开始纠缠，形成自旋压缩态，但再过一段时间，它们就会转变为所谓的猫态。这种状态以埃尔文·薛定谔著名的叠加思想实验命名，其中他提出 被困在盒子里的猫既是生是死 直到打开盒子并可以观察其状态。
对于原子来说，猫态是一种特殊的叠加态，其中原子同时处于两种截然相反的状态，比如向上和向下。雷伊指出，猫态高度纠缠，这使得它们特别适合测量科学。
下一步将是在二维原子阵列上尝试这项技术，增加原子数量以延长它们在纠缠态中停留的时间。此外，它还可以让科学家更精确、更快地进行测量。
自旋挤压纠缠也可能有利于光学原子钟，这是一种重要的测量科学工具。考夫曼和他在 JILA 的团队以及 NIST/JILA 同事 Jun Ye 团队的合作者在 本期的另一项研究 的性质。
研究人员将 140 个锶原子装入光学晶格中，这是一个容纳原子的单一光平面。他们使用精细控制的光束（称为光镊）将原子分成每个由 16 到 70 个原子组成的小子组。
他们用高功率紫外激光将原子激发成通常的“时钟”态和更高能量的里德伯态的叠加。这种技术称为里德伯修整。
时钟状态原子就像拥挤的聚会上安静的人；他们不与他人强烈互动。但对于里德伯态的原子来说，最外层的电子距离原子中心太远，以至于原子的尺寸实际上非常大，使其能够与其他原子产生更强烈的相互作用。
现在全党都在议论。通过这种自旋挤压技术，他们可以在整个 70 个原子阵列中产生纠缠。
研究人员比较了 70 个原子团之间的频率测量结果，发现这种纠缠将精度提高到低于未纠缠粒子的极限（称为标准量子极限）。
更快、更精确的测量将使这些时钟成为更好的传感器来搜索暗物质并产生更好的时间和频率测量。
證書：
约翰内斯·弗兰克、肖恩·R·穆莱迪、拉斐尔·考布吕格、弗洛里安·克兰兹、雷纳·布拉特、安娜·玛丽亚·雷伊、马诺伊·K·乔希和克里斯蒂安·F·鲁斯。通过有限范围相互作用对光学跃迁进行量子增强传感。自然。 30 年 2023 月 XNUMX 日。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 和 Adam M. Kaufman。利用光学时钟中的里德伯相互作用实现自旋压缩。自然。 30 年 2023 月 XNUMX 日。DOI： 10.1038/s41586-023-06360-6
Sumber: NIST
