Per creare un sensore quantistico più efficace, un team di ricercatori della JILA ha unito, per la prima volta, due degli aspetti più “spettrali” della meccanica quantistica: l’entanglement tra atomi e la delocalizzazione degli atomi.
L'entanglement è lo strano effetto di meccanica quantistica in cui ciò che accade a un atomo influenza in qualche modo un altro atomo da qualche altra parte. Un secondo aspetto piuttosto inquietante della meccanica quantistica è la delocalizzazione, il fatto che un singolo atomo può trovarsi contemporaneamente in più di un posto.
In questo studio, i ricercatori hanno combinato la spettralità di entrambi aggrovigliamento e delocalizzazione per creare un interferometro di onde di materia in grado di rilevare le accelerazioni con una precisione che supera il limite quantistico standard. Futuro sensori quantistici sarà in grado di fornire una navigazione più accurata, cercare le risorse naturali necessarie, determinare costanti fondamentali come la struttura fine e le costanti gravitazionali in modo più preciso, cercare materia oscura più precisamente, e forse anche rilevare onde gravitazionali un giorno aumentando la spettralità.
I ricercatori hanno utilizzato la luce che rimbalza tra specchi, chiamata cavità ottica, per l’entanglement. Ciò ha permesso alle informazioni di saltare tra gli atomi e di intrecciarli in uno stato entangled. Usando questa speciale tecnica basata sulla luce, hanno prodotto e osservato alcuni degli stati più densamente entangled mai generati in qualsiasi sistema, sia esso atomico, fotonico o allo stato solido. Utilizzando questa tecnica, il gruppo ha progettato due approcci sperimentali distinti, che hanno utilizzato nel loro recente lavoro.
Nel primo metodo, noto anche come misurazione quantistica di non demolizione, premisurano il rumore quantistico legato ai loro atomi e quindi eliminano tale misurazione dall’equazione. IL rumore quantistico di ciascun atomo viene correlato con il rumore quantistico di tutti gli altri atomi mediante un processo noto come torsione su un asse nel secondo metodo, in cui la luce viene iniettata nella cavità. Ciò consente agli atomi di lavorare insieme per diventare più silenziosi.
James K. Thompson, membro del JILA e del NIST, ha detto: "Gli atomi sono un po' come i bambini che si zittiscono a vicenda per stare zitti in modo da poter sentire della festa che l'insegnante ha promesso loro, ma qui è l'intreccio che fa tacere."
Interferometro delle onde di materia
L'interferometro delle onde della materia è uno dei sensori quantistici più precisi e accurati oggi disponibili.
Lo studente laureato Chengyi Luo ha spiegato: “L’idea è che si utilizzino impulsi di luce per far sì che gli atomi si muovano simultaneamente e non si muovano, avendo sia assorbito che non assorbito laser leggero. Ciò fa sì che gli atomi nel tempo si trovino simultaneamente in due posti diversi contemporaneamente.
"Inseriamo raggi laser sugli atomi, quindi dividiamo in due il pacchetto di onde quantistiche di ciascun atomo, in altre parole, la particella esiste simultaneamente in due spazi separati."
Successivi impulsi di luce laser invertono il processo, riunendo i pacchetti di onde quantistiche, consentendo a qualsiasi cambiamento nell'ambiente, come accelerazioni o rotazioni, di essere rilevati da un'interferenza misurabilmente grande tra i due componenti del pacchetto di onde atomiche, proprio come viene fatto con i campi luminosi negli interferometri convenzionali, ma qui con le onde di De Broglie, o onde fatte di materia.
Il gruppo di ricerca ha determinato come realizzare questo lavoro all'interno di una cavità ottica con specchi altamente riflettenti. Potrebbero misurare la distanza di caduta degli atomi lungo la cavità orientata verticalmente a causa di gravità in una versione quantistica dell'esperimento sulla gravità di Galileo che fa cadere oggetti dalla Torre Pendente di Pisa, ma con tutti i vantaggi di precisione e accuratezza che derivano dalla meccanica quantistica.
Il gruppo di studenti laureati guidati da Chengyi Luo e Graham Greve sono stati quindi in grado di utilizzare l'entanglement creato dal interazioni luce-materia creare un interferometro di onde di materia all'interno di una cavità ottica per rilevare l'accelerazione dovuta alla gravità in modo più silenzioso e accurato. Questo è il primo caso in cui un interferometro di onde di materia è stato osservato ad un livello di precisione che supera il tipico limite quantistico imposto dal rumore quantistico degli atomi non legati.
Thompson disse, “Grazie alla maggiore precisione, ricercatori come Luo e Thompson vedono molti vantaggi futuri nell’utilizzo dell’entanglement come risorsa nei sensori quantistici. Penso che un giorno saremo in grado di introdurre l’entanglement negli interferometri delle onde di materia per rilevare le onde gravitazionali nello spazio o per ricerche sulla materia oscura, oggetti che sondano la fisica fondamentale, così come dispositivi che possono essere utilizzati per applicazioni quotidiane come la navigazione o la navigazione spaziale. geodesia."
“Con questo importante progresso sperimentale, Thompson e il suo team sperano che altri utilizzino questo nuovo approccio con interferometro entangled per portare ad altri progressi nel campo della fisica. Imparando a sfruttare e controllare tutte le inquietudine che già conosciamo, forse possiamo scoprire nuove cose inquietanti sull'universo a cui non abbiamo ancora nemmeno pensato!
Riferimento della Gazzetta:
- Graham P. Greve et al., Interferometria di onde di materia potenziata dall'entanglement in una cavità ad alta finezza, Natura (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05197-9
