Um einen effektiveren Quantensensor zu schaffen, hat ein Forscherteam am JILA erstmals zwei der „gruseligsten“ Aspekte der Quantenmechanik zusammengeführt: die Verschränkung zwischen Atomen und die Delokalisierung von Atomen.
Verschränkung ist der seltsame Effekt von Quantenmechanik bei dem das, was mit einem Atom passiert, irgendwie ein anderes Atom an einer anderen Stelle beeinflusst. Ein zweiter eher gruseliger Aspekt der Quantenmechanik ist die Delokalisierung, die Tatsache, dass sich ein einzelnes Atom gleichzeitig an mehr als einem Ort befinden kann.
In dieser Studie kombinierten Forscher die Gruseligkeit beider Verschränkung und Delokalisierung, um ein Materiewelleninterferometer zu schaffen, das Beschleunigungen mit einer Präzision erfassen kann, die über die Standardquantengrenze hinausgeht. Zukunft Quantensensoren wird in der Lage sein, eine genauere Navigation bereitzustellen, nach notwendigen natürlichen Ressourcen zu suchen, grundlegende Konstanten wie die Feinstruktur und Gravitationskonstanten genauer zu bestimmen und nach zu suchen Dunkle Materie genauer gesagt und vielleicht sogar erkennen Gravitationswellen Eines Tages, indem ich die Gruseligkeit verschärfte.
Zur Verschränkung nutzten die Forscher Licht, das zwischen Spiegeln, einem sogenannten optischen Hohlraum, reflektiert wird. Dadurch konnten Informationen zwischen den Atomen überspringen und sie in einen verschränkten Zustand verknüpfen. Mit dieser speziellen lichtbasierten Technik haben sie einige der am dichtesten verschränkten Zustände erzeugt und beobachtet, die jemals in einem System erzeugt wurden, sei es atomar, photonisch oder fest. Mit dieser Technik entwarf die Gruppe zwei unterschiedliche experimentelle Ansätze, die sie in ihrer jüngsten Arbeit nutzten.
Bei der ersten Methode, die auch als Quantum Non-Demolition-Messung bekannt ist, messen sie vorab das mit ihren Atomen verbundene Quantenrauschen und ziehen diese Messung dann aus der Gleichung heraus. Der Quantenrauschen jedes Atoms wird mit dem Quantenrauschen aller anderen Atome durch einen Prozess korreliert, der bei der zweiten Methode als einachsige Verdrehung bekannt ist und bei dem Licht in den Hohlraum injiziert wird. Dadurch können die Atome zusammenarbeiten, um leiser zu werden.
JILA und NIST Fellow James K. Thompson sagten: „Die Atome sind so etwas wie Kinder, die sich gegenseitig zum Schweigen bringen, damit sie von der Party hören können, die der Lehrer ihnen versprochen hat, aber hier ist es die Verschränkung, die für das Schweigen sorgt.“
Materiewellen-Interferometer
Das Materiewellen-Interferometer ist heute einer der präzisesten und genauesten Quantensensoren.
Der Doktorand Chengyi Luo erklärte: „Die Idee ist, dass man Lichtimpulse verwendet, um Atome gleichzeitig zu bewegen und nicht zu bewegen, indem sie sowohl absorbiert als auch nicht absorbiert werden laser Licht. Dies führt dazu, dass sich die Atome im Laufe der Zeit gleichzeitig an zwei verschiedenen Orten befinden.“
„Wir richten Laserstrahlen auf die Atome, sodass wir das Quantenwellenpaket jedes Atoms in zwei Teile aufteilen. Mit anderen Worten: Das Teilchen existiert gleichzeitig in zwei getrennten Räumen.“
Spätere Laserlichtimpulse kehren den Prozess um und bringen die Quantenwellenpakete wieder zusammen, sodass Änderungen in der Umgebung, wie Beschleunigungen oder Rotationen, durch eine messbar große Interferenz zwischen den beiden Komponenten des Atomwellenpakets erfasst werden können erfolgt in herkömmlichen Interferometern mit Lichtfeldern, hier jedoch mit De-Broglie-Wellen, also Wellen aus Materie.
Das Forschungsteam hat herausgefunden, wie dies in einem optischen Hohlraum mit hochreflektierenden Spiegeln funktionieren kann. Sie konnten messen, wie weit die Atome entlang des vertikal ausgerichteten Hohlraums fielen Schwerkraft in einer Quantenversion von Galileos Schwerkraftexperiment, das Gegenstände vom Schiefen Turm von Pisa fallen lässt, aber mit allen Vorteilen der Präzision und Genauigkeit, die die Quantenmechanik mit sich bringt.
Die Gruppe von Doktoranden unter der Leitung von Chengyi Luo und Graham Greve konnte dann die durch das geschaffene Verschränkung nutzen Licht-Materie-Wechselwirkungen ein Materiewelleninterferometer in einem optischen Hohlraum zu schaffen, um die Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft leiser und genauer zu erfassen. Dies ist das erste Mal, dass ein Materiewelleninterferometer mit einer Präzision beobachtet wurde, die die typische Quantengrenze überschreitet, die durch das Quantenrauschen unverschlungener Atome auferlegt wird.
Thompson sagte, „Dank der verbesserten Präzision sehen Forscher wie Luo und Thompson viele zukünftige Vorteile für die Nutzung der Verschränkung als Ressource in Quantensensoren. Ich denke, dass wir eines Tages in der Lage sein werden, die Verschränkung in Materiewelleninterferometer zum Nachweis von Gravitationswellen im Weltraum oder für die Suche nach dunkler Materie einzuführen – Dinge, die die grundlegende Physik erforschen, sowie Geräte, die für alltägliche Anwendungen wie Navigation usw. verwendet werden können Geodäsie."
„Mit diesem bedeutsamen experimentellen Fortschritt hoffen Thompson und sein Team, dass andere diesen neuen Ansatz mit verschränkten Interferometern nutzen werden, um zu weiteren Fortschritten auf dem Gebiet der Physik zu führen.“ Indem wir lernen, all das Unheimliche, das wir bereits kennen, zu nutzen und zu kontrollieren, können wir vielleicht neue unheimliche Dinge im Universum entdecken, an die wir noch nicht einmal gedacht haben!“
Journal Referenz:
- Graham P. Greve et al., Verschränkungsverstärkte Materiewelleninterferometrie in einem Hohlraum mit hoher Finesse, Natur (2022). zurück 10.1038/s41586-022-05197-9
