لإنشاء جهاز استشعار كمي أكثر فعالية ، قام فريق من الباحثين في JILA ، وللمرة الأولى ، بدمج اثنين من أكثر الجوانب رعبا لميكانيكا الكم: التشابك بين الذرات وعدم تمركز الذرات.
التشابك هو التأثير الغريب لـ ميكانيكا الكم حيث يؤثر ما يحدث لذرة بطريقة ما على ذرة أخرى في مكان آخر. الجانب الثاني المخيف إلى حد ما لميكانيكا الكم هو عدم التمركز ، حقيقة أن ذرة واحدة يمكن أن تكون في وقت واحد في أكثر من مكان.
في هذه الدراسة ، جمع الباحثون بين الرعب بين الاثنين تشابك وإلغاء تحديد الموقع لإنشاء مقياس تداخل لموجة المادة يمكنه استشعار التسارع بدقة تتجاوز الحد الكمي القياسي. مستقبل مجسات الكم سيكون قادرًا على توفير تنقل أكثر دقة ، والبحث عن الموارد الطبيعية الضرورية ، وتحديد الثوابت الأساسية مثل البنية الدقيقة وثوابت الجاذبية بشكل أكثر دقة ، والبحث عن المادة السوداء بمزيد من الدقة ، وربما حتى الكشف موجات الجاذبية في يوم من الأيام عن طريق تصعيد الفزع.
استخدم الباحثون الضوء المرتد بين المرايا ، والذي يسمى التجويف البصري ، للتشابك. سمح هذا للمعلومات بالقفز بين الذرات وربطها في حالة التشابك. باستخدام هذه التقنية الخاصة القائمة على الضوء ، أنتجوا ولاحظوا بعضًا من أكثر حالات التشابك كثافة والتي تم إنشاؤها في أي نظام ، سواء كان ذلك النظام ذريًا أو فوتونيًا أو صلبًا. باستخدام هذه التقنية ، صممت المجموعة نهجين تجريبيين متميزين ، استخدموه في عملهم الأخير.
في الطريقة الأولى ، المعروفة أيضًا باسم القياس الكمي غير الهدم ، يقومون بقياس الضوضاء الكمومية المرتبطة بذراتهم ثم يأخذون هذا القياس خارج المعادلة. ال الضوضاء الكمومية لكل ذرة يصبح مرتبطًا بالضوضاء الكمومية لجميع الذرات الأخرى من خلال عملية تُعرف باسم التواء المحور الواحد في الطريقة الثانية ، حيث يتم حقن الضوء في التجويف. هذا يسمح للذرات بالعمل معًا لتصبح أكثر هدوءًا.
قال جيمس ك.طومسون ، زميل JILA و NIST ، "الذرات تشبه نوعًا ما الأطفال الذين يصرخون على بعضهم البعض للهدوء حتى يتمكنوا من سماع الحفلة التي وعدهم بها المعلم ، ولكن هنا التشابك هو الذي يؤدي إلى الصمت."
مقياس تداخل موجة المادة
يعد مقياس تداخل الموجة المادية أحد أكثر أجهزة الاستشعار الكمومية دقة ودقة اليوم.
أوضح طالب الدراسات العليا Chengyi Luo ، "الفكرة هي أن المرء يستخدم نبضات من الضوء لجعل الذرات تتحرك في نفس الوقت ولا تتحرك من خلال الامتصاص وعدم الامتصاص الليزر خفيفة. يؤدي هذا إلى بقاء الذرات بمرور الوقت في مكانين مختلفين في آنٍ واحد ".
"نحن نسلط أشعة الليزر على الذرات ، لذلك نقسم حزمة الموجة الكمومية لكل ذرة إلى جزأين ، بمعنى آخر ، يوجد الجسيم في مساحتين منفصلتين في وقت واحد."
النبضات اللاحقة من ضوء الليزر تعكس العملية ، وتجلب حزم الموجات الكمومية معًا مرة أخرى ، مما يسمح بأي تغييرات في البيئة ، مثل التسارع أو الدوران ، أن يتم استشعارها من خلال تداخل كبير يمكن قياسه بين مكوني حزمة الموجة الذرية ، مثل إلى حد كبير تتم باستخدام حقول الضوء في مقاييس التداخل التقليدية ، ولكن هنا مع موجات دي برولي ، أو الموجات المصنوعة من المادة.
حدد فريق البحث كيفية عمل هذا داخل تجويف بصري باستخدام مرايا عاكسة للغاية. يمكنهم قياس مدى سقوط الذرات على طول التجويف الموجه عموديًا بسبب خطورة في نسخة كمومية من تجربة جاليليو للجاذبية التي أسقطت عناصر من برج بيزا المائل ، ولكن مع كل مزايا الدقة والدقة التي تأتي من ميكانيكا الكم.
تمكنت مجموعة طلاب الدراسات العليا بقيادة Chengyi Luo و Graham Greve بعد ذلك من استخدام التشابك الذي أحدثه تفاعلات المادة الخفيفة لإنشاء مقياس تداخل لموجة المادة داخل تجويف ضوئي لاكتشاف التسارع بسبب الجاذبية بهدوء ودقة أكبر. هذه هي المرة الأولى التي لوحظ فيها مقياس تداخل موجة المادة بمستوى من الدقة يتجاوز الحد الكمي النموذجي الذي تفرضه الضوضاء الكمومية للذرات غير المتشابكة.
طومسون محمد, بفضل الدقة المُحسَّنة ، يرى باحثون مثل Luo و Thompson العديد من الفوائد المستقبلية لاستخدام التشابك كمورد في أجهزة الاستشعار الكمومية. أعتقد أنه في يوم من الأيام سنكون قادرين على إدخال التشابك في مقاييس تداخل موجة المادة لاكتشاف موجات الجاذبية في الفضاء أو لعمليات البحث عن المادة المظلمة - وهي أشياء تستكشف الفيزياء الأساسية ، بالإضافة إلى الأجهزة التي يمكن استخدامها للتطبيقات اليومية مثل الملاحة أو الجيوديسيا. "
"مع هذا التقدم التجريبي الهائل ، يأمل طومسون وفريقه أن يستخدم الآخرون هذا النهج الجديد لمقياس التداخل المتشابك ليقودوا إلى تطورات أخرى في مجال الفيزياء. من خلال تعلم كيفية تسخير والتحكم في كل الرعب الذي نعرفه بالفعل ، ربما يمكننا اكتشاف أشياء مخيفة جديدة حول الكون لم نفكر فيها حتى الآن! "
المرجع مجلة:
- Graham P. Greve et al. ، قياس التداخل بموجة المادة المعززة للتشابك في تجويف عالي الدقة ، الطبيعة (2022). معرف الهوية الرقمي: 10.1038/s41586-022-05197-9
