כדי ליצור חיישן קוונטי יעיל יותר, צוות חוקרים ב-JILA מיזג, לראשונה, שניים מההיבטים ה"מפחידים" ביותר של מכניקת הקוונטים: הסתבכות בין אטומים וביטול מיקום של אטומים.
הסתבכות היא ההשפעה המוזרה של מכניקה קוואנטית שבו מה שקורה לאטום אחד משפיע איכשהו על אטום אחר במקום אחר. היבט שני ומפחיד למדי של מכניקת הקוונטים הוא דה-לוקליזציה, העובדה שאטום בודד יכול להיות בו-זמנית ביותר ממקום אחד.
במחקר זה שילבו החוקרים את המפחיד של שניהם הסתבכות וביטול מיקום ליצירת אינטרפרומטר גלי חומר שיכול לחוש תאוצות בדיוק העולה על הגבול הקוונטי הסטנדרטי. עתיד חיישנים קוונטיים יוכל לספק ניווט מדויק יותר, לחפש משאבים טבעיים נחוצים, לקבוע קבועים בסיסיים כמו המבנה העדין וקבועי הכבידה באופן מדויק יותר, לחפש חומר אפל ליתר דיוק, ואולי אפילו לזהות גלי כבידה יום אחד על ידי חיזוק המפחיד.
חוקרים השתמשו באור המקפץ בין מראות, הנקרא חלל אופטי, לצורך הסתבכות. זה אפשר למידע לקפוץ בין האטומים ולסרוג אותם למצב סבוך. באמצעות טכניקה מיוחדת זו מבוססת אור, הם יצרו וצפו בכמה מהמצבים המסובכים בצפיפות שנוצרו אי פעם בכל מערכת, בין אם זה אטומי, פוטוני או מצב מוצק. באמצעות טכניקה זו, הקבוצה עיצבה שתי גישות ניסיוניות מובחנות, בהן השתמשו בעבודתם האחרונה.
בשיטה הראשונה, הידועה גם בשם מדידת אי-הריסה קוונטית, הם מודדים מראש את הרעש הקוונטי המקושר לאטומים שלהם ואז מוציאים את המדידה הזו מהמשוואה. ה רעש קוונטי של כל אטום הופך בקורלציה עם הרעש הקוונטי של כל שאר האטומים על ידי תהליך המכונה פיתול ציר אחד בשיטה השנייה, שבה אור מוזרק לחלל. זה מאפשר לאטומים לעבוד יחד כדי להפוך לשקטים יותר.
עמית JILA ו-NIST ג'יימס ק. תומפסון אמר, "האטומים הם כמו ילדים ששותקים זה את זה כדי להיות בשקט כדי שהם יוכלו לשמוע על המסיבה שהמורה הבטיחה להם, אבל כאן זו ההסתבכות שעושה את ההשתקה."
אינטרפרומטר גלי חומר
אינטרפרומטר גל החומר הוא אחד מהחיישנים הקוונטיים המדויקים והמדויקים ביותר כיום.
סטודנט לתואר שני צ'נגי לואו הסביר, "הרעיון הוא שמשתמשים בפולסים של אור כדי לגרום לאטומים לנוע בו-זמנית ולא לזוז בכך שהם נספגים וגם לא נספגים לייזר אוֹר. זה גורם לכך שהאטומים לאורך זמן נמצאים בו זמנית בשני מקומות שונים בו זמנית."
"אנחנו זורחים קרני לייזר על האטומים, אז אנחנו מפצלים את חבילת הגלים הקוונטיים של כל אטום לשניים, במילים אחרות, החלקיק קיים בשני חללים נפרדים בו זמנית."
פעימות מאוחרות יותר של אור לייזר הופכות את התהליך, ומביאות את חבילות הגלים הקוונטיים בחזרה יחד, ומאפשרות לחוש כל שינוי בסביבה, כגון תאוצות או סיבובים, על ידי הפרעה גדולה למדידה בין שני המרכיבים של חבילת הגלים האטומיים, בדומה ל. נעשה עם שדות אור באינטרפרומטרים קונבנציונליים, אבל כאן עם גלי דה ברולי, או גלים עשויים מחומר.
צוות המחקר קבע כיצד לגרום לזה לעבוד בתוך חלל אופטי עם מראות מחזירות מאוד. הם יכלו למדוד עד כמה האטומים נפלו לאורך החלל בעל אוריינטציה אנכית עקב כוח משיכה בגרסה קוונטית של ניסוי הכבידה של גלילאו שמפיל פריטים מהמגדל הנטוי של פיזה, אבל עם כל היתרונות של דיוק ודיוק שמגיעים ממכניקת הקוונטים.
קבוצת הסטודנטים לתארים מתקדמים בראשות צ'נגי לואו וגראהם גרווה הצליחה אז להשתמש בהסתבכות שנוצרה על ידי אינטראקציות קל וחומר ליצור אינטרפרומטר גלי חומר בתוך חלל אופטי כדי לזהות את התאוצה עקב כוח הכבידה בצורה שקטה ומדויקת יותר. זהו המקרה הראשון בו נצפה אינטרפרומטר גלי חומר ברמת דיוק החורגת מהמגבלה הקוונטית האופיינית שנכפה על ידי הרעש הקוונטי של אטומים לא מסובכים.
תומפסון אמר, "הודות לדיוק המשופר, חוקרים כמו לואו ותומפסון רואים יתרונות עתידיים רבים בשימוש בהסתבכות כמשאב בחיישנים קוונטיים. אני חושב שיום אחד נוכל להכניס הסתבכות לאינטרפרומטרים של גלי חומר לזיהוי גלי כבידה בחלל או לחיפושי חומר אפל - דברים שחוקרים פיזיקה בסיסית, כמו גם מכשירים שיכולים לשמש ליישומים יומיומיים כמו ניווט או גיאודזיה."
"עם ההתקדמות הניסיוני המשמעותית הזו, תומפסון וצוותו מקווים שאחרים ישתמשו בגישת האינטרפרומטר הסבוכה החדשה הזו כדי להוביל להתקדמות אחרת בתחום הפיזיקה. על ידי למידה לרתום ולשלוט בכל המפחידות שאנחנו כבר יודעים עליהן, אולי נוכל לגלות דברים מפחידים חדשים על היקום שאפילו לא חשבנו עליהם עדיין!"
עיון ביומן:
- Graham P. Greve וחב', התערבות חומר-גל משופרת בהסתבכות בחלל עדינות גבוהה, טבע (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05197-9
