Tõhusama kvantanduri loomiseks on JILA teadlaste meeskond esimest korda ühendanud kaks kvantmehaanika kõige õudsemat aspekti: aatomite vahele põimumine ja aatomite ümberpaigutamine.
Põimumine on kummaline mõju kvantmehaanika milles ühe aatomiga toimuv mõjutab kuidagi teist aatomit kusagil mujal. Kvantmehaanika teine üsna õudne aspekt on ümberpaigutamine, asjaolu, et üks aatom võib korraga olla rohkem kui ühes kohas.
Selles uuringus ühendasid teadlased mõlema õudsuse takerdumine ja ümberpaigutamine, et luua aine-laine interferomeeter, mis suudab tajuda kiirendusi täpsusega, mis ületab standardse kvantlimiidi. Tulevik kvantandurid oskab pakkuda täpsemat navigeerimist, otsida vajalikke loodusressursse, määrata täpsemalt põhikonstandid nagu peenstruktuur ja gravitatsioonikonstandid, otsida tumeaine täpsemalt ja võib-olla isegi tuvastada gravitatsioonilised lained ühel päeval õudsust tõstes.
Teadlased kasutasid põimumiseks peeglite vahelt põrkavat valgust, mida nimetatakse optiliseks õõnsuks. See võimaldas teabel hüpata aatomite vahel ja siduda need takerdunud olekusse. Seda spetsiaalset valguspõhist tehnikat kasutades on nad tootnud ja vaadelnud mõningaid kõige tihedamalt põimunud olekuid, mis eales mis tahes süsteemis on tekitatud, olgu see siis aatom, fotoon või tahkis. Seda tehnikat kasutades kavandas rühm kaks erinevat eksperimentaalset lähenemisviisi, mida nad kasutasid oma hiljutises töös.
Esimese meetodi puhul, mida tuntakse ka kvant-mittelammutamise mõõtmisena, mõõdavad nad eelnevalt oma aatomitega seotud kvantmüra ja võtavad seejärel selle mõõtmise võrrandist välja. The iga aatomi kvantmüra muutub korrelatsiooniks kõigi teiste aatomite kvantmüraga protsessiga, mida nimetatakse teise meetodi puhul üheteljeliseks keerdumiseks, kus valgust süstitakse õõnsusse. See võimaldab aatomitel koos töötada, et muutuda vaiksemaks.
JILA ja NIST-i kolleeg James K. Thompson ütlesid: "Aatomid on nagu lapsed, kes vaikivad üksteist, et nad saaksid kuulda peost, mille õpetaja on neile lubanud, kuid siin segab segadus."
Aine-laine interferomeeter
Matter-wave interferomeeter on tänapäeval üks täpsemaid ja täpsemaid kvantandureid.
Lõpetaja Chengyi Luo selgitas, "Idee seisneb selles, et valgusimpulsse kasutatakse selleks, et panna aatomid liikuma üheaegselt ja mitte liikuma, olles nii neeldunud kui ka mitte neeldunud. laser valgus. See põhjustab aja jooksul, et aatomid asuvad korraga kahes erinevas kohas.
"Me valgustame aatomitele laserkiirt, nii et jagame iga aatomi kvantlainete paketi kaheks, teisisõnu, osake eksisteerib korraga kahes eraldi ruumis."
Hilisemad laservalguse impulsid pööravad protsessi vastupidiseks, viies kvantlainete paketid uuesti kokku, võimaldades tajuda kõiki keskkonnamuutusi, nagu kiirendused või pöörded, aatomilaine paketi kahe komponendi vahelise mõõdetavalt suure interferentsi abil. tehakse tavalistes interferomeetrites valgusväljadega, siin aga de Broglie lainetega ehk ainest valmistatud lainetega.
Uurimisrühm tegi kindlaks, kuidas seda hästi peegeldavate peeglitega optilises õõnes töötama panna. Nad said mõõta, kui kaugele aatomid kukkusid piki vertikaalselt orienteeritud õõnsust raskus Galileo gravitatsioonieksperimendi kvantversioonis, kus esemed kukutatakse Pisa tornist, kuid kõik kvantmehaanikast tulenevad täpsuse ja täpsuse eelised.
Chengyi Luo ja Graham Greve juhitud kraadiõppurite rühm sai seejärel kasutada põimumist, mille tekitas valguse ja aine vastastikmõju luua optilise õõnsuse sees mateerialaine interferomeeter, et vaiksemalt ja täpsemalt tuvastada gravitatsioonist tingitud kiirendus. See on esimene juhtum, kus aine-laine interferomeetrit on täheldatud täpsusega, mis ületab hargnemata aatomite kvantmüra poolt kehtestatud tüüpilise kvantlimiidi.
Thompson ütles, "Tänu täiustatud täpsusele näevad teadlased, nagu Luo ja Thompson, palju tulevasi eeliseid takerdumise kasutamisel kvantandurite ressursina. Ma arvan, et ühel päeval on meil võimalik kasutusele võtta takerdumine aine-laine interferomeetritesse, et tuvastada kosmoses gravitatsioonilaineid või tumeaine otsinguid – asju, mis uurivad fundamentaalset füüsikat, aga ka seadmeid, mida saab kasutada igapäevastes rakendustes, nagu navigeerimine või geodeesia."
"Selle olulise eksperimentaalse eduga loodavad Thompson ja tema meeskond, et teised kasutavad seda uut põimitud interferomeetrilist lähenemisviisi, et viia füüsika valdkonnas muude edusammudeni. Õppides kasutama ja kontrollima kõike seda õudsust, millest me juba teame, saame ehk avastada universumi kohta uusi õudseid asju, millele me pole veel mõelnudki!”
Ajakirja viide:
- Graham P. Greve et al., Entanglement-enhanced material-wave interferometry in a high-fineness cavity, loodus (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05197-9
