Για να δημιουργήσει έναν πιο αποτελεσματικό κβαντικό αισθητήρα, μια ομάδα ερευνητών στο JILA συνδύασε, για πρώτη φορά, δύο από τις πιο «απόκοσμες» πτυχές της κβαντικής μηχανικής: την εμπλοκή μεταξύ των ατόμων και τον αποτοπισμό των ατόμων.
Η διαπλοκή είναι το περίεργο αποτέλεσμα του κβαντική μηχανική στην οποία αυτό που συμβαίνει σε ένα άτομο επηρεάζει κατά κάποιο τρόπο ένα άλλο άτομο κάπου αλλού. Μια δεύτερη μάλλον τρομακτική πτυχή της κβαντικής μηχανικής είναι η μετεγκατάσταση, το γεγονός ότι ένα μεμονωμένο άτομο μπορεί να βρίσκεται ταυτόχρονα σε περισσότερα από ένα μέρη.
Σε αυτή τη μελέτη, οι ερευνητές συνδύασαν το απόκοσμο και των δύο μπλέξιμο και μετεγκατάσταση για τη δημιουργία ενός συμβολόμετρου ύλης-κύματος που μπορεί να ανιχνεύει επιταχύνσεις με ακρίβεια που ξεπερνά το τυπικό κβαντικό όριο. Μελλοντικός κβαντικούς αισθητήρες θα είναι σε θέση να παρέχει ακριβέστερη πλοήγηση, να αναζητά τους απαραίτητους φυσικούς πόρους, να προσδιορίζει θεμελιώδεις σταθερές όπως η λεπτή δομή και οι σταθερές βαρύτητας με μεγαλύτερη ακρίβεια, να αναζητά σκοτεινή ύλη ακριβέστερα, και ίσως ακόμη και να εντοπίσει βαρυτικά κύματα μια μέρα αυξάνοντας την τρομακτική.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το φως που αναπηδά ανάμεσα στους καθρέφτες, που ονομάζεται οπτική κοιλότητα, για εμπλοκή. Αυτό επέτρεψε στις πληροφορίες να μεταπηδήσουν μεταξύ των ατόμων και να τα πλέκουν σε μια μπερδεμένη κατάσταση. Χρησιμοποιώντας αυτή την ειδική τεχνική που βασίζεται στο φως, έχουν παραγάγει και παρατηρήσει μερικές από τις πιο πυκνά μπερδεμένες καταστάσεις που έχουν δημιουργηθεί ποτέ σε οποιοδήποτε σύστημα, είτε είναι ατομικό, φωτονικό ή στερεάς κατάστασης. Χρησιμοποιώντας αυτή την τεχνική, η ομάδα σχεδίασε δύο διακριτές πειραματικές προσεγγίσεις, τις οποίες χρησιμοποίησε στην πρόσφατη εργασία της.
Στην πρώτη μέθοδο, γνωστή και ως κβαντική μέτρηση μη κατεδάφισης, προμετρούν τον κβαντικό θόρυβο που συνδέεται με τα άτομά τους και στη συνέχεια αφαιρούν αυτή τη μέτρηση από την εξίσωση. ο κβαντικό θόρυβο κάθε ατόμου συσχετίζεται με τον κβαντικό θόρυβο όλων των άλλων ατόμων με μια διαδικασία γνωστή ως συστροφή ενός άξονα στη δεύτερη μέθοδο, όπου το φως εγχέεται στην κοιλότητα. Αυτό επιτρέπει στα άτομα να συνεργαστούν για να γίνουν πιο ήσυχα.
Η JILA και ο συνεργάτης του NIST James K. Thompson είπε: «Τα άτομα είναι σαν τα παιδιά που σιωπούν το ένα το άλλο για να ησυχάσουν, ώστε να μπορούν να ακούσουν για το πάρτι που τους έχει υποσχεθεί ο δάσκαλος, αλλά εδώ είναι η εμπλοκή που κάνει το σώπα».
Συμβολόμετρο ύλης-κύματος
Το συμβολόμετρο κύματος ύλης είναι ένας από τους πιο ακριβείς και ακριβείς κβαντικούς αισθητήρες σήμερα.
Ο μεταπτυχιακός φοιτητής Chengyi Luo εξήγησε, «Η ιδέα είναι ότι κάποιος χρησιμοποιεί παλμούς φωτός για να κάνει τα άτομα να κινούνται ταυτόχρονα και να μην κινούνται έχοντας απορροφήσει και όχι απορροφήσει λέιζερ φως. Αυτό κάνει τα άτομα με την πάροδο του χρόνου να βρίσκονται ταυτόχρονα σε δύο διαφορετικές θέσεις ταυτόχρονα».
«Λάμπουμε ακτίνες λέιζερ στα άτομα, έτσι χωρίζουμε το πακέτο κβαντικών κυμάτων κάθε ατόμου στα δύο, με άλλα λόγια, το σωματίδιο υπάρχει σε δύο ξεχωριστούς χώρους ταυτόχρονα».
Μεταγενέστεροι παλμοί φωτός λέιζερ αντιστρέφουν τη διαδικασία, φέρνοντας ξανά τα πακέτα κβαντικών κυμάτων, επιτρέποντας σε οποιεσδήποτε αλλαγές στο περιβάλλον, όπως επιταχύνσεις ή περιστροφές, να γίνουν αντιληπτές από μια μετρήσιμα μεγάλη παρεμβολή μεταξύ των δύο συστατικών του πακέτου ατομικών κυμάτων, όπως γίνεται με φωτεινά πεδία σε συμβατικά συμβολόμετρα, αλλά εδώ με κύματα de Broglie, ή κύματα από ύλη.
Η ερευνητική ομάδα καθόρισε πώς να κάνει αυτό το έργο μέσα σε μια οπτική κοιλότητα με καθρέφτες υψηλής ανακλαστικότητας. Θα μπορούσαν να μετρήσουν πόσο μακριά έπεσαν τα άτομα κατά μήκος της κατακόρυφα προσανατολισμένης κοιλότητας λόγω βαρύτητα σε μια κβαντική εκδοχή του πειράματος βαρύτητας του Galileo που ρίχνει αντικείμενα από τον Πύργο της Πίζας, αλλά με όλα τα πλεονεκτήματα της ακρίβειας και της ακρίβειας που προκύπτουν από την κβαντική μηχανική.
Η ομάδα των μεταπτυχιακών φοιτητών με επικεφαλής τους Chengyi Luo και Graham Greve μπόρεσαν στη συνέχεια να χρησιμοποιήσουν τη διαπλοκή που δημιουργήθηκε από αλληλεπιδράσεις φωτός-ύλης να δημιουργήσει ένα συμβολόμετρο ύλης-κύματος μέσα σε μια οπτική κοιλότητα για να ανιχνεύει την επιτάχυνση λόγω της βαρύτητας πιο αθόρυβα και με ακρίβεια. Αυτή είναι η πρώτη περίπτωση στην οποία ένα συμβολόμετρο ύλης-κύματος έχει παρατηρηθεί σε επίπεδο ακρίβειας που υπερβαίνει το τυπικό κβαντικό όριο που επιβάλλεται από τον κβαντικό θόρυβο των μη μπερδεμένων ατόμων.
Thompson είπε, «Χάρη στην ενισχυμένη ακρίβεια, ερευνητές όπως ο Luo και ο Thompson βλέπουν πολλά μελλοντικά οφέλη από τη χρήση της εμπλοκής ως πηγής σε κβαντικούς αισθητήρες. Νομίζω ότι μια μέρα θα είμαστε σε θέση να εισαγάγουμε εμπλοκή σε συμβολόμετρα ύλης-κύματος για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων στο διάστημα ή για αναζητήσεις της σκοτεινής ύλης—πράγματα που διερευνούν τη θεμελιώδη φυσική, καθώς και συσκευές που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για καθημερινές εφαρμογές όπως η πλοήγηση ή γεωδαισία."
«Με αυτή τη σημαντική πειραματική πρόοδο, ο Thompson και η ομάδα του ελπίζουν ότι άλλοι θα χρησιμοποιήσουν αυτή τη νέα προσέγγιση εμπλοκής συμβολόμετρου για να οδηγήσουν σε άλλες προόδους στον τομέα της φυσικής. Μαθαίνοντας να εκμεταλλευόμαστε και να ελέγχουμε όλα τα απόκοσμα που ήδη γνωρίζουμε, ίσως μπορέσουμε να ανακαλύψουμε νέα τρομακτικά πράγματα για το σύμπαν που δεν έχουμε καν σκεφτεί ακόμα!»
Αναφορά στο περιοδικό:
- Graham P. Greve et al., Συμβολομετρία ύλης-κύματος ενισχυμένης εμπλοκής σε μια κοιλότητα υψηλής λεπτότητας, Φύση (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05197-9
