Tehokkamman kvanttisensorin luomiseksi JILAn tutkijaryhmä on ensimmäistä kertaa yhdistänyt kaksi kvanttimekaniikan "pelottavinta" näkökohtaa: atomien välisen sotkeutumisen ja atomien siirtämisen.
Sotkeutuminen on outo vaikutus kvanttimekaniikka jossa yhdelle atomille tapahtuva vaikuttaa jollakin tavalla toiseen atomiin jossain muualla. Toinen melko pelottava puoli kvanttimekaniikassa on delokalisaatio, se tosiasia, että yksi atomi voi olla samanaikaisesti useammassa kuin yhdessä paikassa.
Tässä tutkimuksessa tutkijat yhdistivät molempien pelotettavuuden kietoutuminen ja siirtäminen aine-aaltointerferometrin luomiseksi, joka voi havaita kiihtyvyydet tarkkuudella, joka ylittää standardin kvanttirajan. Tulevaisuus kvanttianturit pystyy tarjoamaan tarkempaa navigointia, etsimään tarvittavia luonnonvaroja, määrittämään tarkemmin perusvakiot, kuten hienorakenteen ja gravitaatiovakiot, etsimään pimeä aine tarkemmin ja ehkä jopa havaita gravitaation aallot eräänä päivänä räipimällä ylös kauheutta.
Tutkijat käyttivät peilien välistä pomppivaa valoa, jota kutsutaan optiseksi onkaloksi, sotkeutumiseen. Tämä antoi tiedon hypätä atomien väliin ja sitoa ne sotkeutuneeseen tilaan. Käyttämällä tätä erityistä valoon perustuvaa tekniikkaa he ovat tuottaneet ja havainneet joitain tiheimmin sotkeutuneita tiloja, joita on koskaan syntynyt missä tahansa järjestelmässä, olipa kyseessä sitten atomi, fotoni tai kiinteä tila. Tätä tekniikkaa käyttäen ryhmä suunnitteli kaksi erillistä kokeellista lähestymistapaa, joita he käyttivät viimeaikaisessa työssään.
Ensimmäisessä menetelmässä, joka tunnetaan myös kvanttipurkumittauksena, he mittaavat etukäteen atomeihinsa liittyvän kvanttikohinan ja poistavat sitten tämän mittauksen yhtälöstä. The kunkin atomin kvanttikohina tulee korreloimaan kaikkien muiden atomien kvanttimehinan kanssa prosessilla, joka tunnetaan yhden akselin kiertymisenä toisessa menetelmässä, jossa valoa ruiskutetaan onteloon. Tämä sallii atomien työskennellä yhdessä tullakseen hiljaisemmaksi.
JILA ja NIST-stipendiaatti James K. Thompson sanoivat: "Atomit ovat ikään kuin lapset hiljentävät toisiaan ollakseen hiljaa, jotta he voivat kuulla opettajan heille luvanneista juhlista, mutta tässä sotkeutuminen aiheuttaa myllerryksen."
Materia-aalto-interferometri
Matter-wave Interferometri on yksi tarkimmista ja tarkimmista kvanttiantureista nykyään.
Jatko-opiskelija Chengyi Luo selitti, "Ajatuksena on, että käytetään valopulsseja saadakseen atomit liikkumaan samanaikaisesti eivätkä liikkumaan, koska ne ovat sekä absorboituneita että absorboimattomia laser valoa. Tämä saa aikaan sen, että atomit ovat ajan mittaan samanaikaisesti kahdessa eri paikassa yhtä aikaa."
"Loistamme lasersäteitä atomeille, joten jaamme jokaisen atomin kvanttiaaltopaketin kahteen osaan, toisin sanoen hiukkanen on kahdessa erillisessä tilassa samanaikaisesti."
Myöhemmät laservalon pulssit kääntävät prosessin päinvastaiseksi tuoden kvanttiaaltopaketit takaisin yhteen, jolloin kaikki ympäristössä tapahtuvat muutokset, kuten kiihtyvyydet tai kierrokset, voidaan havaita mitattavissa olevan suuren häiriön avulla atomiaaltopaketin kahden komponentin välillä, aivan kuten tehdään valokentillä tavanomaisissa interferometreissä, mutta tässä de Broglie-aaloilla eli aineesta valmistetuilla aalloilla.
Tutkimusryhmä päätti, kuinka tämä saadaan toimimaan optisessa ontelossa erittäin heijastavilla peileillä. He pystyivät mittaamaan, kuinka pitkälle atomit putosivat pitkin pystysuuntaista onkaloa painovoima Galileon painovoimakokeen kvanttiversiossa pudottamalla esineitä Pisan kaltevasta tornista, mutta kaikilla kvanttimekaniikan tuomilla tarkkuuden ja tarkkuuden eduilla.
Chengyi Luon ja Graham Greven johtama jatko-opiskelijoiden ryhmä saattoi sitten hyödyntää opiskelijoiden luomaa kietoutumista. valon ja aineen vuorovaikutus luoda optiseen onteloon aineaaltointerferometri, joka havaitsee painovoiman aiheuttaman kiihtyvyyden hiljaisemmin ja tarkemmin. Tämä on ensimmäinen tapaus, jossa aine-aalto-interferometri on havaittu sellaisella tarkkuudella, joka ylittää tyypillisen kvanttirajan, jonka sekaantumattomien atomien kvanttikohina asettaa.
Thompson sanoi, ”Parannetun tarkkuuden ansiosta Luo ja Thompsonin kaltaiset tutkijat näkevät monia tulevaisuuden etuja sotkeutumisen hyödyntämisestä kvanttianturien resurssina. Uskon, että jonain päivänä voimme ottaa käyttöön kietoutumisen aineaaltointerferometreihin gravitaatioaaltojen havaitsemiseksi avaruudessa tai pimeän aineen etsinnöissä – perusfysiikkaa tutkiviin asioihin sekä laitteisiin, joita voidaan käyttää jokapäiväisissä sovelluksissa, kuten navigoinnissa tai geodesia."
"Tämän merkittävän kokeellisen edistyksen myötä Thompson ja hänen tiiminsä toivovat, että muut käyttävät tätä uutta kietoutunutta interferometrilähestymistapaa johtaakseen muihin edistysaskeliin fysiikan alalla. Oppimalla valjastamaan ja hallitsemaan kaikkea sitä kauheutta, josta jo tiedämme, voimme ehkä löytää uusia pelottavia asioita universumista, joita emme ole vielä edes ajatelleet!
Lehden viite:
- Graham P. Greve et al., Entanglement-enhanced material-wave interferometry in a high-finesse cavity, luonto (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05197-9
