Enamiku inimeste jaoks tundub kvantmehaanika üsna veider. Võtkem delokaliseerimise põhimõte, mis ütleb, et kvantosake võib mõnes mõttes eksisteerida samaaegselt mitmes kohas. Siis on takerdumine: osakeste vaheline nähtamatu ühendus, mis võimaldab ühe osakese olekul määrata teise osakese oleku isegi suurte vahemaade tagant. Kuid nii imelikud kui ümberpaigutamine ja takerdumine on, võivad need olla väga kasulikud ja USA Colorado osariigis Boulderis asuva JILA füüsikud on nüüd mõlemad esimest korda ühendanud üheks kvantanduriks. Uus andur suudab tuvastada kiirendusi, mis jäävad alla tavapärase piiri, mille määrab kvantkõikumistest tuleneva müra, pakkudes teravamat tööriista nii fundamentaalfüüsika uurimiseks kui ka selliste rakenduste jaoks nagu navigatsioon ja Maa seire.
JILA meeskonna eksperimentaalne seadistus kasutab mateeria-laine interferomeetrit, mis häirib massiivseid kvantosakesi samamoodi nagu tavaline interferomeeter segab valguskiire. Kuigi valguspõhised interferomeetrid võivad olla väga tundlikud – neid kasutatakse gravitatsioonilainete tuvastamiseks –, siis nende aine-laine ekvivalendid suudavad põhimõtteliselt tuvastada isegi väiksemaid kiirendusi, kuna massiivsete osakeste kvantlainepikkus on palju lühem. Need andurid pakuvad seega võimalust otsida selliseid nähtusi nagu tumeaine ja tumeenergia, mida praegu ei ole võimalik otse tuvastada, kuid mis sellest hoolimata annavad gravitatsiooniefektide kaudu teada.
Vähendage müra
Katses asetatakse aatomid esmalt optilisse õõnsusse, mis on vastandlike peeglite komplekt, mille vahele jääb valgus. Nende peeglite vahel põrkuv valgus interakteerub aatomitega, põhjustades ligi 1000 neist üksteisega takerdumise.
Kvantandurite maksimaalne tundlikkus on üldiselt piiratud müraga, mis tekib üksikute aatomite kvantolekute juhuslikust kokkuvarisemisest, kui neid mõõdetakse. Varasemad katsed püüdsid seda kvantmüra vähendada, viies katset mitu korda paralleelselt läbi paljude aatomitega, seejärel arvutades välja iga üksiku aatomi kvantmüra.
JILA meeskonna eksperimendis katsetasid teadlased aga kahte alternatiivi, mille puhul aatomid tegelikult omavahel vandenõusid, et tühistada üksteise kvantmüra. Esimene lähenemisviis hõlmas niinimetatud kvant-mitte-lammutamise mõõtmisi, mille käigus tegid teadlased aatomitega seotud kvantmüra eelmõõtmise ja lahutasid seejärel selle kvantmüra lõplikust mõõtmisest. Teise meetodi puhul sisestasid teadlased õõnsusse valguse, mis käivitab aatomiprotsessi, mida nimetatakse üheteljeliseks keerdumiseks, mis põhjustab erinevates liikumisseisundites (või impulsi olekutes) takerdunud aatomite ebakindlust väiksemaks kui siis, kui aatomid oleksid ei ole takerdunud.
Saadud kvantseisundeid nimetatakse pigistatud spin-olekuteks, kuna need koosnevad kahest impulsi oleku tasemest, mis sisuliselt "pigistatakse" kokku, et moodustada tõhus spin-süsteem. JILA meeskonna katses võimaldavad need pigistatud pöörlemisolekud suurema täpsusega mõõta mis tahes kvantfaasi, mis koguneb kiirenduste tõttu impulsi olekute vahele. Mõlema lähenemisviisi korral korreleerub kvantmüra aatomitevahelise põimumise tõttu aatomite vahel nii, et ühe aatomi kvantmüra tühistab teise aatomi kvantmüra, muutes kvantanduri "vaiksemaks" ja seega ka täpsemaks.
Laiali
Katse teises etapis tutvustasid teadlased ümberpaigutamist. Laserid eraldavad aatomite lainepaketid, viies need seeläbi erinevate impulsside superpositsiooni; kui lainepakettide kaks osa üksteisest eemalduvad, on iga aatom sisuliselt kahes kohas korraga. Selle superpositsiooni tühistamisel teise laseriga häirivad aatomite lainepaketid üksteist ja mis tahes mõju nende asukohale – näiteks raskusjõu alla sattumise tõttu – on seejärel ülikõrge tundlikkusega tuvastatav. Selle interferentskatse kombineerimine takerdumismeetoditega võimaldas teadlastel tuvastada kiirendusi, mis on väiksemad kui üksikute aatomite kvantmüra poolt määratud standardne kvantpiir.
James K Thompson, kes juhtis meeskonna uurimistööd koos doktorantide Chengyi Luo ja Graham Greve'iga, ütleb, et pigistatud olekute kasutamist kvanttuvastuseks nimetatakse sageli "kvant 2.0" - kvantseire versioon, mis ulatub üksikosakese füüsikast kaugemale. Ta mainib, et kvanttuvastuse ja kvantsimulatsiooni edusammude vahel on tekkimas "imeline sünergia" ning ta on huvitatud selle kasutamisest kahel viisil: kasutades kvantolekute impulsi oleku kodeeringut kvantsimulatsiooni teostamiseks ja tööriistu rakendades. kvanttuvastus, et mõõta kvant-mitmekehalise süsteemi arengut. "Seda, mida me õpime, saab seejärel kasutada kvantandurite veelgi täiustamiseks, " ütleb ta.
Lõksu jäänud ioonkristall teeb ülitäpse kvantanduri
Timothy KovachyUSA Northwesterni ülikooli füüsik, kes ei osalenud uuringus, ütleb, et standardne kvantpiir võib kvantandurite täpsust oluliselt piirata. Seetõttu kirjeldab ta tulemust kui suurt sammu edasi kvanttuvastuses. Ta ütleb, et nende interferomeetrite täieliku potentsiaali saavutamiseks on nende interferomeetrite täieliku potentsiaali saavutamiseks hädavajalik kasutada spin-pigistamist, et ületada standardne kvantlimiit, ja et see on märkimisväärne saavutus õõnsusepõhise pigistamise koos õõnsusesisese aatomi interferomeetriaga. Ta lisab, et õõnsused võivad pakkuda ka aatomi interferomeetria jaoks väärtuslikke omadusi, nagu parem ruumirežiimi kvaliteet ja võimsuse suurendamine.
Uuring on avaldatud aastal loodus.
