Hatékonyabb kvantumérzékelő létrehozása érdekében a JILA kutatóiból álló csapat először egyesítette a kvantummechanika két „legkísértetesebb” aspektusát: az atomok közötti összefonódást és az atomok delokalizációját.
Az összegabalyodás a furcsa hatása kvantummechanika amelyben az egyik atommal történõ valamiképpen hatással van egy másik atomra valahol máshol. A kvantummechanika másik meglehetősen kísérteties aspektusa a delokalizáció, az a tény, hogy egyetlen atom egyszerre több helyen is lehet.
Ebben a tanulmányban a kutatók kombinálták mindkettő kísértetiességét összefonódás valamint a delokalizáció egy anyaghullám interferométer létrehozására, amely a szabványos kvantumhatárt meghaladó pontossággal képes érzékelni a gyorsulásokat. Jövő kvantum érzékelők pontosabb navigációt, a szükséges természeti erőforrások felkutatását, az alapvető állandók pontosabb meghatározását, mint a finomszerkezet és a gravitációs állandók pontosabb megkeresését, sötét anyag pontosabban, sőt talán észlelni is gravitációs hullámok egy nap a kísérteties felhajtásával.
A kutatók a tükrök között visszaverődő fényt, az úgynevezett optikai üreget használták az összefonódáshoz. Ez lehetővé tette, hogy az információ az atomok között ugorjon, és összefonódott állapotba sodorja őket. Ezzel a speciális, fényalapú technikával létrehozták és megfigyelték a valaha létezett legsűrűbben összefonódott állapotokat bármely rendszerben, legyen az atomi, fotonikus vagy szilárdtest. Ezzel a technikával a csoport két különböző kísérleti megközelítést tervezett, amelyeket legutóbbi munkájuk során használt.
Az első módszernél, más néven kvantum-bontási mérésnél, előre megmérik az atomjaikhoz kapcsolódó kvantumzajt, majd ezt a mérést kiveszik az egyenletből. A minden atom kvantumzaja korrelációba kerül az összes többi atom kvantumzajjával a második módszerben egytengelyes csavarásként ismert folyamat révén, ahol fényt injektálnak az üregbe. Ez lehetővé teszi az atomok együttműködését, hogy csendesebbé váljanak.
JILA és a NIST munkatárs, James K. Thompson azt mondta: „Az atomok olyanok, mint a gyerekek, akik csitítják egymást, hogy csendben maradjanak, hogy hallhassanak a tanár által nekik ígért buliról, de itt az összefonódás okozza a csitítást.”
Anyag-hullám interferométer
Az anyaghullám interferométer napjaink egyik legpontosabb és legpontosabb kvantumérzékelője.
Chengyi Luo végzős hallgató elmagyarázta: "Az ötlet az, hogy az ember fényimpulzusokat használ arra, hogy az atomok egyidejűleg mozogjanak, és ne mozduljanak el azáltal, hogy elnyelték és nem nyelték el őket. lézer fény. Ez azt eredményezi, hogy az atomok idővel egyszerre két különböző helyen vannak.
"Lézernyalábokat világítunk az atomokra, így mindegyik atom kvantumhullám-csomagját kettéosztjuk, vagyis a részecske egyszerre két külön térben létezik."
A későbbi lézerfény-impulzusok megfordítják a folyamatot, újra összehozzák a kvantumhullám-csomagokat, lehetővé téve, hogy a környezetben bekövetkező bármilyen változást, például gyorsulást vagy forgást érzékelni lehessen az atomhullámcsomag két komponense közötti mérhetően nagy interferenciával. hagyományos interferométerekben fénymezőkkel történik, de itt de Broglie-hullámokkal vagy anyagból készült hullámokkal.
A kutatócsoport meghatározta, hogyan lehet ezt működésre bírni egy optikai üregben, erősen tükröződő tükrökkel. Meg tudták mérni, milyen messzire estek az atomok a függőlegesen elhelyezkedő üreg mentén gravitációs Galilei gravitációs kísérletének kvantumváltozatában, amely tárgyakat dob le a pisai ferde toronyból, de a kvantummechanikából származó precizitás és pontosság minden előnyével.
A Chengyi Luo és Graham Greve vezette végzős hallgatók csoportja ezután felhasználhatta azt az összefonódást, amelyet a fény-anyag kölcsönhatások anyaghullám interferométer létrehozása egy optikai üreg belsejében, amely halkabban és pontosabban érzékeli a gravitáció okozta gyorsulást. Ez az első eset, amikor egy anyag-hullám interferométert olyan pontossággal figyeltek meg, amely meghaladja a nem összegabalyodott atomok kvantumzajja által támasztott tipikus kvantumhatárt.
Thompson mondott, „A megnövelt pontosságnak köszönhetően az olyan kutatók, mint Luo és Thompson, számos jövőbeli előnyt látnak az összefonódás kvantumérzékelők erőforrásaként való felhasználásában. Úgy gondolom, hogy egy napon képesek leszünk összefonódást bevezetni az anyag-hullám interferométerekbe a gravitációs hullámok észlelésére az űrben vagy a sötét anyag kutatására – olyan dolgokra, amelyek az alapvető fizikát vizsgálják, valamint olyan eszközöket, amelyeket mindennapi alkalmazásokhoz, például navigációhoz vagy Geodézia."
„Ezzel a jelentős kísérleti előrelépéssel Thompson és csapata reméli, hogy mások is használják ezt az új, összefonódott interferométeres megközelítést, hogy a fizika területén más fejleményekhez vezessenek. Ha megtanuljuk kihasználni és irányítani mindazokat a kísértetieseket, amelyekről már tudunk, talán új kísérteties dolgokat fedezhetünk fel az univerzumról, amelyekre még nem is gondoltunk!”
Journal Reference:
- Graham P. Greve és mtsai, Entanglement-enhanced material-wave interferometry in a high-finness cavity, Természet (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05197-9
