Untuk menciptakan sensor kuantum yang lebih efektif, tim peneliti di JILA, untuk pertama kalinya, menggabungkan dua aspek mekanika kuantum yang “paling menakutkan”: keterikatan antar atom dan delokalisasi atom.
Keterikatan adalah efek aneh dari mekanika kuantum di mana apa yang terjadi pada satu atom mempengaruhi atom lain di tempat lain. Aspek kedua yang agak menakutkan dalam mekanika kuantum adalah delokalisasi, fakta bahwa sebuah atom dapat berada di lebih dari satu tempat secara bersamaan.
Dalam penelitian ini, peneliti menggabungkan keseraman keduanya belitan dan delokalisasi untuk menciptakan interferometer gelombang materi yang dapat merasakan percepatan dengan presisi yang melampaui batas kuantum standar. Masa depan sensor kuantum akan mampu memberikan navigasi yang lebih akurat, mencari sumber daya alam yang diperlukan, menentukan konstanta fundamental seperti struktur halus dan konstanta gravitasi dengan lebih tepat, mencari materi gelap lebih tepatnya, dan bahkan mungkin mendeteksi gelombang gravitasi suatu hari dengan meningkatkan kengeriannya.
Para peneliti menggunakan pantulan cahaya di antara cermin, yang disebut rongga optik, untuk keterikatan. Hal ini memungkinkan informasi berpindah antar atom dan merajutnya menjadi keadaan terjerat. Dengan menggunakan teknik khusus berbasis cahaya ini, mereka telah menghasilkan dan mengamati beberapa keadaan terjerat paling padat yang pernah dihasilkan dalam sistem apa pun, baik itu keadaan atom, fotonik, atau keadaan padat. Dengan menggunakan teknik ini, kelompok tersebut merancang dua pendekatan eksperimental berbeda, yang mereka gunakan dalam penelitian terbaru mereka.
Pada metode pertama, yang juga dikenal sebagai pengukuran nondemolition kuantum, mereka mengukur terlebih dahulu kebisingan kuantum yang terkait dengan atom-atomnya dan kemudian mengeluarkan pengukuran tersebut dari persamaan. Itu kebisingan kuantum setiap atom menjadi berkorelasi dengan kebisingan kuantum semua atom lainnya melalui proses yang dikenal sebagai puntiran satu sumbu pada metode kedua, di mana cahaya disuntikkan ke dalam rongga. Hal ini memungkinkan atom-atom untuk bekerja sama menjadi lebih tenang.
Rekan JILA dan NIST James K. Thompson berkata, “Atom-atom itu seperti anak-anak yang saling diam agar mereka bisa mendengar tentang pesta yang dijanjikan guru, tapi di sini keterjeratanlah yang membuat mereka diam.”
Interferometer gelombang materi
Interferometer Gelombang Materi adalah salah satu sensor kuantum paling presisi dan akurat saat ini.
Mahasiswa pascasarjana Chengyi Luo menjelaskan, “Idenya adalah bahwa seseorang menggunakan gelombang cahaya untuk menyebabkan atom-atom bergerak secara bersamaan dan tidak bergerak dengan menyerap dan tidak menyerapnya. laser lampu. Hal ini menyebabkan atom-atom dari waktu ke waktu secara bersamaan berada di dua tempat berbeda sekaligus.”
“Kami menyinari atom dengan sinar laser, jadi kami membagi paket gelombang kuantum setiap atom menjadi dua, dengan kata lain, partikel tersebut ada di dua ruang terpisah secara bersamaan.”
Pulsa sinar laser kemudian membalikkan proses tersebut, menyatukan kembali paket-paket gelombang kuantum, sehingga setiap perubahan di lingkungan, seperti percepatan atau rotasi, dapat dirasakan melalui interferensi yang sangat besar antara dua komponen paket gelombang atom, seperti halnya dilakukan dengan medan cahaya pada interferometer konvensional, tetapi di sini dengan gelombang de Broglie, atau gelombang yang terbuat dari materi.
Tim peneliti menentukan cara membuat ini bekerja di dalam rongga optik dengan cermin yang sangat reflektif. Mereka dapat mengukur seberapa jauh atom-atom tersebut jatuh di sepanjang rongga yang berorientasi vertikal gaya berat dalam versi kuantum eksperimen gravitasi Galileo yang menjatuhkan benda dari Menara Miring Pisa, tetapi dengan semua keunggulan presisi dan akurasi yang berasal dari mekanika kuantum.
Kelompok mahasiswa pascasarjana yang dipimpin oleh Chengyi Luo dan Graham Greve kemudian dapat memanfaatkan keterikatan yang diciptakan oleh interaksi materi cahaya untuk membuat interferometer gelombang materi di dalam rongga optik untuk mendeteksi percepatan gravitasi dengan lebih senyap dan akurat. Ini adalah contoh pertama di mana interferometer gelombang materi telah diamati pada tingkat presisi yang melebihi batas kuantum tipikal yang ditentukan oleh kebisingan kuantum atom-atom yang tidak terikat.
Thompson tersebut, “Berkat peningkatan presisi, peneliti seperti Luo dan Thompson melihat banyak manfaat di masa depan dengan memanfaatkan keterjeratan sebagai sumber daya dalam sensor kuantum. Saya pikir suatu hari nanti kita akan dapat memperkenalkan keterjeratan ke dalam interferometer gelombang materi untuk mendeteksi gelombang gravitasi di ruang angkasa atau untuk pencarian materi gelap—hal-hal yang menyelidiki fisika fundamental, serta perangkat yang dapat digunakan untuk aplikasi sehari-hari seperti navigasi atau geodesi."
“Dengan kemajuan eksperimental yang penting ini, Thompson dan timnya berharap orang lain akan menggunakan pendekatan interferometer terjerat baru ini untuk menghasilkan kemajuan lain di bidang fisika. Dengan belajar memanfaatkan dan mengendalikan semua keseraman yang sudah kita ketahui, mungkin kita bisa menemukan hal-hal seram baru tentang alam semesta yang bahkan belum terpikirkan oleh kita!”
Referensi Jurnal:
- Graham P. Greve dkk., Interferometri gelombang materi yang ditingkatkan keterjeratan dalam rongga dengan kehalusan tinggi, Alam (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05197-9
