برای ایجاد یک حسگر کوانتومی موثرتر، تیمی از محققان در JILA برای اولین بار، دو جنبه از "وحشتناک‌ترین" مکانیک کوانتومی را با هم ادغام کردند: درهم تنیدگی بین اتم‌ها و جابجایی اتم‌ها.
درهم تنیدگی اثر عجیب است مکانیک کوانتومی که در آن اتفاقاتی که برای یک اتم می افتد به نحوی بر اتم دیگر در جای دیگر تأثیر می گذارد. دومین جنبه نسبتاً ترسناک مکانیک کوانتومی، مکان‌یابی است، این واقعیت که یک اتم می‌تواند به طور همزمان در بیش از یک مکان باشد.
در این مطالعه، محققان ترسناک بودن هر دو را با هم ترکیب کردند در هم تنیدگی و غیرمحلی سازی برای ایجاد تداخل سنج موج ماده که می تواند شتاب ها را با دقتی فراتر از حد استاندارد کوانتومی حس کند. آینده حسگرهای کوانتومی قادر به ارائه ناوبری دقیق تر، جستجوی منابع طبیعی لازم، تعیین ثابت های اساسی مانند ساختار ظریف و ثابت های گرانشی به طور دقیق تر، جستجو برای ماده تاریک دقیق تر، و شاید حتی تشخیص دهد امواج گرانشی یک روز با تند کردن شبح وار.
محققان از تابش نور بین آینه ها به نام حفره نوری برای درهم تنیدگی استفاده کردند. این اجازه داد تا اطلاعات بین اتم ها پرش کرده و آنها را به حالت درهم تنیده تبدیل کند. با استفاده از این تکنیک ویژه مبتنی بر نور، آنها برخی از متراکم ترین حالت های درهم تنیده را که تا به حال در هر سیستمی، اعم از اتمی، فوتونیک یا حالت جامد ایجاد شده، تولید و مشاهده کرده اند. با استفاده از این تکنیک، گروه دو رویکرد تجربی مجزا را طراحی کردند که در کار اخیر خود از آنها استفاده کردند.
در روش اول، که به عنوان اندازه‌گیری بدون تخریب کوانتومی نیز شناخته می‌شود، نویز کوانتومی مرتبط با اتم‌های خود را از قبل اندازه‌گیری می‌کنند و سپس آن اندازه‌گیری را از معادله خارج می‌کنند. را نویز کوانتومی هر اتم با نویز کوانتومی تمام اتم های دیگر توسط فرآیندی به نام پیچش یک محور در روش دوم، که در آن نور به داخل حفره تزریق می شود، مرتبط می شود. این به اتم ها اجازه می دهد تا با هم کار کنند تا ساکت تر شوند.
جیلا و همکار NIST جیمز کی تامپسون گفت: اتم‌ها به نوعی شبیه بچه‌هایی هستند که از همدیگر خفه می‌شوند تا ساکت باشند تا بتوانند در مورد مهمانی که معلم به آنها قول داده است بشنوند، اما در اینجا این درهم‌تنیدگی است که باعث خاموشی می‌شود.»
تداخل سنج موج ماده
تداخل سنج موج ماده یکی از دقیق ترین و دقیق ترین حسگرهای کوانتومی امروزی است.
دانشجوی فارغ التحصیل چنگی لو توضیح داد، ایده این است که شخص از پالس های نور استفاده می کند تا باعث شود اتم ها به طور همزمان حرکت کنند و با جذب و عدم جذب حرکت نکنند. لیزر سبک. این باعث می شود که اتم ها در طول زمان به طور همزمان در دو مکان مختلف در یک زمان قرار گیرند.
ما پرتوهای لیزر را به اتم ها می تابانیم، بنابراین بسته موج کوانتومی هر اتم را به دو قسمت تقسیم می کنیم، به عبارت دیگر، ذره در دو فضای جداگانه به طور همزمان وجود دارد.
پالس‌های بعدی نور لیزر فرآیند را معکوس می‌کند و بسته‌های موج کوانتومی را دوباره به هم می‌رساند، و اجازه می‌دهد هر گونه تغییر در محیط، مانند شتاب‌ها یا چرخش‌ها، با تداخل قابل اندازه‌گیری بزرگ بین دو جزء بسته موج اتمی حس شود. این کار با میدان های نوری در تداخل سنج های معمولی انجام می شود، اما در اینجا با امواج دو بروگلی یا امواج ساخته شده از ماده انجام می شود.
تیم تحقیقاتی چگونگی ساخت این کار را در داخل یک حفره نوری با آینه های بسیار بازتابنده تعیین کردند. آنها می‌توانستند اندازه‌گیری کنند که اتم‌ها تا چه اندازه در امتداد حفره عمودی سقوط کرده‌اند جاذبه زمین در یک نسخه کوانتومی آزمایش گرانشی گالیله که اقلامی را از برج کج پیزا بیرون می‌اندازد، اما با تمام مزایای دقت و دقت حاصل از مکانیک کوانتومی.
سپس گروهی از دانشجویان فارغ التحصیل به رهبری چنگی لو و گراهام گریو توانستند از درهم تنیدگی ایجاد شده توسط فعل و انفعالات ماده نور برای ایجاد تداخل سنج موج ماده در داخل یک حفره نوری برای تشخیص شتاب ناشی از گرانش بی‌صدا و دقیق‌تر. این اولین موردی است که در آن یک تداخل سنج موج ماده در سطحی از دقت مشاهده شده است که از حد معمول کوانتومی اعمال شده توسط نویز کوانتومی اتم های درهم تنیده فراتر می رود.
تامپسون گفت:, به لطف دقت افزایش یافته، محققانی مانند لو و تامپسون مزایای زیادی در آینده برای استفاده از درهم تنیدگی به عنوان منبعی در حسگرهای کوانتومی می بینند. فکر می‌کنم روزی می‌توانیم درهم تنیدگی را به تداخل‌سنج‌های موج ماده برای تشخیص امواج گرانشی در فضا یا برای جستجوی ماده تاریک وارد کنیم - چیزهایی که فیزیک بنیادی را بررسی می‌کنند، و همچنین دستگاه‌هایی که می‌توانند برای کاربردهای روزمره مانند ناوبری یا ناوبری استفاده شوند. ژئودزی.”
با این پیشرفت تجربی مهم، تامپسون و تیمش امیدوارند که دیگران از این رویکرد تداخل سنج درهم تنیده جدید برای ایجاد پیشرفت‌های دیگر در زمینه فیزیک استفاده کنند. با یادگیری مهار و کنترل همه چیزهای شبح آور که قبلاً در مورد آنها می دانیم، شاید بتوانیم چیزهای شبح آور جدیدی را در مورد جهان کشف کنیم که هنوز حتی به آنها فکر نکرده ایم!»
مرجع مجله:
- گراهام پی. گریو و همکاران، تداخل سنجی موج ماده با درهم تنیدگی در یک حفره با ظرافت بالا، طبیعت (2022) DOI: 10.1038/s41586-022-05197-9
