For at skabe en mere effektiv kvantesensor har et team af forskere ved JILA for første gang slået to af de "uhyggeligste" aspekter af kvantemekanikken sammen: sammenfiltring mellem atomer og delokalisering af atomer.
Entanglement er den mærkelige effekt af kvantemekanik hvor det, der sker med et atom, på en eller anden måde påvirker et andet atom et andet sted. Et andet ret uhyggeligt aspekt af kvantemekanikken er delokalisering, det faktum, at et enkelt atom samtidigt kan være mere end ét sted.
I denne undersøgelse kombinerede forskere begges uhyggelighed sammenfiltring og delokalisering for at skabe et stofbølge-interferometer, der kan registrere accelerationer med en præcision, der overstiger standardkvantegrænsen. Fremtid kvantesensorer vil være i stand til at give mere nøjagtig navigation, søge efter nødvendige naturressourcer, bestemme fundamentale konstanter som finstrukturen og gravitationskonstanter mere præcist, søge efter mørkt stof mere præcist og måske endda opdage gravitationsbølger en dag ved at skrue op for uhyggeligheden.
Forskere brugte lys, der hopper mellem spejle, kaldet et optisk hulrum, til sammenfiltring. Dette gjorde det muligt for information at hoppe mellem atomerne og strikke dem ind i en sammenfiltret tilstand. Ved at bruge denne specielle lysbaserede teknik har de produceret og observeret nogle af de tættest sammenfiltrede tilstande, der nogensinde er genereret i ethvert system, hvad enten det er atomare, fotoniske eller faste tilstande. Ved hjælp af denne teknik designede gruppen to forskellige eksperimentelle tilgange, som de brugte i deres seneste arbejde.
I den første metode, også kendt som en kvante ikke-nedrivningsmåling, formåler de kvantestøjen knyttet til deres atomer og tager derefter denne måling ud af ligningen. Det kvantestøj for hvert atom bliver korreleret med kvantestøjen fra alle de andre atomer ved en proces kendt som en-akse vridning i den anden metode, hvor lys sprøjtes ind i hulrummet. Dette gør det muligt for atomerne at arbejde sammen for at blive mere stille.
JILA og NIST-stipendiat James K. Thompson sagde: "Atomerne er lidt ligesom børn, der hyser på hinanden for at tie stille, så de kan høre om den fest, læreren har lovet dem, men her er det forviklingen, der gør tysningen."
Matter-wave interferometer
Matter-wave interferometeret er en af de mest præcise og præcise kvantesensorer i dag.
Kandidatstuderende Chengyi Luo forklarede, "Ideen er, at man bruger lysimpulser til at få atomer til at bevæge sig samtidigt og ikke bevæge sig ved at have både absorberet og ikke absorberet laser lys. Dette får atomerne over tid til samtidig at være to forskellige steder på én gang."
"Vi lyser laserstråler på atomerne, så vi deler hvert atoms kvantebølgepakke i to, med andre ord, partiklen eksisterer i to separate rum samtidigt."
Senere pulser af laserlys vender processen om, bringer kvantebølgepakkerne sammen igen, hvilket tillader ændringer i miljøet, såsom accelerationer eller rotationer, at blive registreret af en målelig stor interferens mellem de to komponenter i atombølgepakken, meget som udføres med lysfelter i konventionelle interferometre, men her med de Broglie-bølger, eller bølger lavet af stof.
Forskerholdet besluttede, hvordan man fik dette til at fungere inde i et optisk hulrum med stærkt reflekterende spejle. De kunne måle, hvor langt atomerne faldt langs det vertikalt orienterede hulrum pga tyngdekraften i en kvanteversion af Galileos tyngdekraftseksperiment, hvor man taber genstande fra det skæve tårn i Pisa, men med alle fordelene ved præcision og nøjagtighed, der kommer fra kvantemekanikken.
Gruppen af kandidatstuderende ledet af Chengyi Luo og Graham Greve var derefter i stand til at bruge forviklingen skabt af lys-stof interaktioner at skabe et stofbølge-interferometer inde i et optisk hulrum for at detektere accelerationen på grund af tyngdekraften mere stille og præcist. Dette er det første tilfælde, hvor et stofbølge-interferometer er blevet observeret ved et præcisionsniveau, der overstiger den typiske kvantegrænse, der pålægges af kvantestøjen fra ikke-sammenfiltrede atomer.
Thompson sagde, "Takket være den forbedrede præcision ser forskere som Luo og Thompson mange fremtidige fordele ved at bruge sammenfiltring som en ressource i kvantesensorer. Jeg tror, at vi en dag vil være i stand til at introducere sammenfiltring i stofbølgeinterferometre til at detektere gravitationsbølger i rummet eller til søgninger efter mørkt stof – ting, der undersøger fundamental fysik, såvel som enheder, der kan bruges til hverdagslige applikationer såsom navigation eller geodæsi."
"Med dette betydningsfulde eksperimentelle fremskridt håber Thompson og hans team, at andre vil bruge denne nye indviklede interferometer-tilgang til at føre til andre fremskridt inden for fysik. Ved at lære at udnytte og kontrollere al den uhygge, vi allerede kender til, kan vi måske opdage nye uhyggelige ting om universet, som vi ikke engang har tænkt på endnu!
Journal Reference:
- Graham P. Greve et al., Entanglement-enhanced matter-wave interferometry in a high-finesse cavity, Natur (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05197-9
