より効果的な量子センサーを作成するために、JILA の研究者チームは、原子間のエンタングルメントと原子の非局在化という、量子力学の「最も不気味な」側面の XNUMX つを初めて統合しました。
もつれは奇妙な効果です 量子力学 ある原子に起こったことは、何らかの形で別の原子に影響を与えます。 量子力学のもう XNUMX つの気味の悪い側面は、非局在化です。これは、XNUMX つの原子が同時に複数の場所に存在する可能性があるという事実です。
この研究では、研究者は両方の不気味さを組み合わせました エンタングルメント 標準的な量子限界を超える精度で加速度を感知できる物質波干渉計を作成するための非局在化。 未来 量子センサー より正確なナビゲーションを提供し、必要な天然資源を検索し、微細構造や重力定数などの基本的な定数をより正確に決定し、 暗黒物質 より正確に、そしておそらく検出さえします 重力波 ある日、不気味さを徐々に上げて。
研究者は、エンタングルメントのために、光学キャビティと呼ばれるミラー間で跳ね返る光を使用しました。 これにより、情報が原子間をジャンプし、絡み合った状態に編むことができました。 この特別な光ベースの技術を使用して、彼らは、原子、フォトニック、固体など、あらゆるシステムでこれまでに生成された最も密に絡み合った状態のいくつかを生成および観察しました。 この手法を使用して、グループは XNUMX つの異なる実験的アプローチを設計し、最近の研究でそれらを利用しました。
量子非破壊測定としても知られる最初の方法では、原子に関連する量子ノイズを事前に測定し、その測定値を方程式から外します。 の 各原子の量子ノイズ 光が空洞に注入される XNUMX 番目の方法では、XNUMX 軸ツイストとして知られるプロセスによって、他のすべての原子の量子ノイズと相関するようになります。 これにより、原子が連携して静かになります。
JILA および NIST フェローの James K. Thompson 氏は、次のように述べています。 「原子は、先生が約束したパーティーについて聞くことができるように、静かにするためにお互いを黙らせている子供たちのようなものですが、ここでは、黙っているのはもつれです。」
物質波干渉計
物質波干渉計は、今日最も正確で正確な量子センサーの XNUMX つです。
大学院生のChengyi Luoは、次のように説明しました。 「アイデアは、光のパルスを使用して、原子を同時に動かし、吸収した場合と吸収しなかった場合に動かないようにするというものです。 レーザー ライト。 これにより、時間の経過とともに原子が一度に XNUMX つの異なる場所に同時に存在するようになります。」
「原子にレーザー光線を当てることで、各原子の量子波束を XNUMX つに分割します。つまり、粒子は XNUMX つの別々の空間に同時に存在します。」
その後のレーザー光のパルスがプロセスを逆転させ、量子波パケットを元に戻し、加速や回転などの環境の変化を、原子波パケットの XNUMX つのコンポーネント間の測定可能なほど大きな干渉によって感知できるようにします。従来の干渉計ではライトフィールドで行われますが、ここではドブロイ波、つまり物質でできた波で行われます。
研究チームは、高反射ミラーを備えた光学キャビティ内でこれを機能させる方法を決定しました。 彼らは、原子が垂直方向の空洞に沿ってどれだけ落下したかを測定できました。 重力 ガリレオの重力実験の量子バージョンでは、ピサの斜塔からアイテムを落としますが、量子力学から得られる精度と正確さのすべての利点があります。
その後、Chengyi Luo と Graham Greve が率いる大学院生のグループは、 光と物質の相互作用 光キャビティ内に物質波干渉計を作成して、重力による加速度をより静かかつ正確に検出します。 これは、絡み合っていない原子の量子ノイズによって課せられる典型的な量子限界を超える精度レベルで物質波干渉計が観測された最初の例です。
トンプソン と, 「精度が向上したおかげで、Luo や Thompson などの研究者は、もつれを量子センサーのリソースとして利用することで多くの将来の利益が得られると考えています。 いつの日か、物質波干渉計にエンタングルメントを導入して、宇宙の重力波を検出したり、暗黒物質を探索したりできるようになると思います。これは、基礎物理学を調査するものだけでなく、ナビゲーションやナビゲーションなどの日常的なアプリケーションに使用できるデバイスです。測地学。
「この画期的な実験的進歩により、トンプソンと彼のチームは、他の人がこの新しい絡み合った干渉計のアプローチを使用して、物理学の分野で他の進歩につながることを望んでいます。 私たちがすでに知っているすべての不気味さを利用して制御することを学ぶことで、宇宙についてまだ考えたこともない新しい不気味なものを発見できるかもしれません!」
ジャーナルリファレンス：
- Graham P. Greve et al.、高フィネス空洞におけるエンタングルメント強化物質波干渉法、 自然 （2022）。 DOI： 10.1038/s41586-022-05197-9
