보다 효과적인 양자 센서를 만들기 위해 JILA 연구진은 처음으로 양자 역학의 "가장 으스스한" 두 가지 측면, 즉 원자 간의 얽힘과 원자의 비편재화를 병합했습니다.
얽힘은 이상한 효과이다. 양자 역학 한 원자에 일어난 일이 어떻게든 다른 곳에 있는 다른 원자에 영향을 미치는 것입니다. 양자 역학의 다소 으스스한 두 번째 측면은 비편재화(delocalization)입니다. 즉, 단일 원자가 동시에 한 곳 이상에 있을 수 있다는 사실입니다.
이 연구에서 연구자들은 두 가지의 으스스함을 결합했습니다. 얽히게 함 표준 양자 한계를 뛰어넘는 정밀도로 가속도를 감지할 수 있는 물질파 간섭계를 만들기 위한 비편재화. 미래 양자 센서 보다 정확한 탐색을 제공하고, 필요한 천연 자원을 검색하고, 미세 구조 및 중력 상수와 같은 기본 상수를 보다 정확하게 결정하고, 암흑 물질 더 정확하게는 감지할 수도 있습니다. 중력파 어느 날 으스스함을 높여서.
연구자들은 얽힘을 위해 광학 공동이라고 불리는 거울 사이에서 반사되는 빛을 사용했습니다. 이로 인해 정보가 원자 사이를 뛰어넘어 얽힌 상태로 엮어지게 되었습니다. 이 특별한 빛 기반 기술을 사용하여 그들은 원자, 광자 또는 고체 상태 등 모든 시스템에서 생성된 가장 조밀하게 얽힌 상태 중 일부를 생성하고 관찰했습니다. 이 기술을 사용하여 그룹은 최근 작업에서 활용한 두 가지 서로 다른 실험 접근 방식을 설계했습니다.
양자 비파괴 측정이라고도 알려진 첫 번째 방법에서는 원자에 연결된 양자 잡음을 미리 측정한 다음 해당 측정값을 방정식에서 제외합니다. 그만큼 각 원자의 양자 소음 두 번째 방법에서는 빛이 공동에 주입되는 1축 비틀림이라는 과정을 통해 다른 모든 원자의 양자 잡음과 상관 관계가 형성됩니다. 이를 통해 원자가 함께 작동하여 더 조용해집니다.
JILA와 NIST 연구원 James K. Thompson은 다음과 같이 말했습니다. "원자는 마치 아이들이 선생님이 약속한 파티에 대해 듣기 위해 서로 조용히 하라고 밀어붙이는 것과 비슷합니다. 하지만 여기서는 얽매임으로 인해 조용히 하게 됩니다."
물질파 간섭계
물질파 간섭계는 오늘날 가장 정확하고 정확한 양자 센서 중 하나입니다.
대학원생 Chengyi Luo는 다음과 같이 설명했습니다. “아이디어는 빛의 펄스를 사용하여 원자가 흡수되거나 흡수되지 않음으로써 원자가 동시에 움직이고 움직이지 않게 한다는 것입니다. 레이저 빛. 이로 인해 시간이 지남에 따라 원자가 동시에 두 개의 서로 다른 위치에 있게 됩니다.”
"우리는 원자에 레이저 빔을 비추므로 각 원자의 양자파 패킷을 두 개로 분할합니다. 즉, 입자는 두 개의 별도 공간에 동시에 존재합니다."
이후의 레이저 광 펄스는 프로세스를 역전시켜 양자 파동 패킷을 다시 하나로 모아 가속이나 회전과 같은 환경의 모든 변화를 원자 파동 패킷의 두 구성 요소 사이의 측정 가능하게 큰 간섭으로 감지할 수 있도록 합니다. 기존 간섭계의 빛장을 사용하여 수행되지만 여기서는 드브로이 파동, 즉 물질로 구성된 파동을 사용합니다.
연구팀은 반사율이 높은 거울이 있는 광학 공동 내부에서 이 작업을 수행하는 방법을 결정했습니다. 그들은 원자가 수직 방향의 공동을 따라 얼마나 멀리 떨어지는지 측정할 수 있었습니다. 중량 갈릴레오의 중력 실험의 양자 버전에서는 피사의 사탑에서 항목을 떨어뜨리지만 양자역학에서 오는 정밀도와 정확성의 모든 이점을 제공합니다.
Chengyi Luo와 Graham Greve가 이끄는 대학원생 그룹은 다음과 같이 생성된 얽힘을 사용할 수 있었습니다. 가벼운 물질 상호 작용 중력으로 인한 가속도를 보다 조용하고 정확하게 감지하기 위해 광학 공동 내부에 물질파 간섭계를 만드는 것입니다. 이는 얽히지 않은 원자의 양자 잡음으로 인해 부과되는 일반적인 양자 한계를 초과하는 정밀도 수준에서 물질파 간섭계가 관찰된 최초의 사례입니다.
톰슨 말했다, “향상된 정밀도 덕분에 Luo 및 Thompson과 같은 연구자들은 얽힘을 양자 센서의 리소스로 활용함으로써 많은 미래 이점을 얻을 수 있을 것으로 보고 있습니다. 언젠가는 우주에서 중력파를 탐지하거나 암흑물질 탐색을 위해 물질파 간섭계에 얽힘을 도입할 수 있을 것이라고 생각합니다. 이러한 장치는 기본 물리학을 조사하는 것뿐만 아니라 내비게이션과 같은 일상 응용 분야에 사용할 수 있는 장치이기도 합니다. 측지학.”
“이 중대한 실험적 발전을 통해 톰슨과 그의 팀은 다른 사람들이 이 새로운 얽힌 간섭계 접근 방식을 사용하여 물리학 분야의 다른 발전을 이끌기를 희망합니다. 우리가 이미 알고 있는 모든 으스스함을 활용하고 제어하는 방법을 배우면 우주에 대해 아직 생각지도 못한 새로운 으스스한 것들을 발견할 수 있을 것입니다!”
저널 참조 :
- Graham P. Greve et al., 고급 공동에서의 얽힘 강화 물질파 간섭계, 자연 (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-05197-9
