Om een effectievere kwantumsensor te creëren heeft een team van onderzoekers van JILA voor het eerst twee van de ‘griezeligste’ aspecten van de kwantummechanica samengevoegd: verstrengeling tussen atomen en delokalisatie van atomen.
Verstrengeling is het vreemde effect van kwantummechanica waarin wat er met het ene atoom gebeurt, op de een of andere manier een ander atoom ergens anders beïnvloedt. Een tweede nogal griezelig aspect van de kwantummechanica is delokalisatie, het feit dat een enkel atoom zich tegelijkertijd op meer dan één plek kan bevinden.
In deze studie combineerden onderzoekers de griezeligheid van beide verstrikking en delokalisatie om een materie-golf-interferometer te creëren die versnellingen kan waarnemen met een precisie die de standaard kwantumlimiet overtreft. Toekomst kwantumsensoren zal in staat zijn om nauwkeurigere navigatie te bieden, te zoeken naar noodzakelijke natuurlijke hulpbronnen, fundamentele constanten zoals de fijne structuur en zwaartekrachtconstanten nauwkeuriger te bepalen, te zoeken naar donkere materie nauwkeuriger, en misschien zelfs detecteren zwaartekrachtgolven op een dag door de griezeligheid op te voeren.
Onderzoekers gebruikten licht dat tussen spiegels weerkaatste, een zogenaamde optische holte, voor verstrengeling. Hierdoor kon informatie tussen de atomen springen en ze in een verstrengelde toestand brengen. Met behulp van deze speciale op licht gebaseerde techniek hebben ze enkele van de meest nauw verstrengelde toestanden geproduceerd en waargenomen die ooit in welk systeem dan ook zijn gegenereerd, of het nu atomair, fotonisch of vaste stof is. Met behulp van deze techniek ontwierp de groep twee verschillende experimentele benaderingen, die ze in hun recente werk gebruikten.
Bij de eerste methode, ook bekend als een kwantum-niet-sloopmeting, meten ze vooraf de kwantumruis die aan hun atomen is gekoppeld en halen ze die meting vervolgens uit de vergelijking. De kwantumruis van elk atoom wordt gecorreleerd met de kwantumruis van alle andere atomen door een proces dat bekend staat als 'one-axis twisting' in de tweede methode, waarbij licht in de holte wordt geïnjecteerd. Hierdoor kunnen de atomen samenwerken om stiller te worden.
JILA en NIST-collega James K. Thompson zeiden: ‘De atomen lijken een beetje op kinderen die elkaar het zwijgen opleggen om stil te zijn, zodat ze kunnen horen over het feest dat de leraar hen heeft beloofd, maar hier is het de verstrengeling die het zwijgen doet.’
Materiegolfinterferometer
De Matter-wave Interferometer is momenteel een van de meest nauwkeurige en nauwkeurige kwantumsensoren.
Afgestudeerde student Chengyi Luo legde uit: “Het idee is dat je lichtpulsen gebruikt om ervoor te zorgen dat atomen tegelijkertijd bewegen en niet bewegen, doordat ze zowel geabsorbeerde als niet geabsorbeerde atomen hebben. laser licht. Dit zorgt ervoor dat de atomen zich in de loop van de tijd tegelijkertijd op twee verschillende plaatsen bevinden.”
"We schijnen laserstralen op de atomen, dus splitsen we het kwantumgolfpakket van elk atoom in tweeën, met andere woorden: het deeltje bestaat tegelijkertijd in twee afzonderlijke ruimtes."
Latere pulsen van laserlicht keren het proces om, waardoor de kwantumgolfpakketten weer bij elkaar worden gebracht, waardoor eventuele veranderingen in de omgeving, zoals versnellingen of rotaties, kunnen worden waargenomen door een meetbaar grote interferentie tussen de twee componenten van het atoomgolfpakket, net zoals gebeurt met lichtvelden in conventionele interferometers, maar hier met de Broglie-golven, of golven gemaakt van materie.
Het onderzoeksteam heeft bepaald hoe dit te laten werken in een optische holte met sterk reflecterende spiegels. Ze konden meten hoe ver de atomen langs de verticaal georiënteerde holte vielen zwaartekracht in een kwantumversie van Galileo’s zwaartekrachtexperiment waarbij voorwerpen uit de scheve toren van Pisa worden gegooid, maar met alle voordelen van precisie en nauwkeurigheid die de kwantummechanica met zich meebrengt.
De groep afgestudeerde studenten onder leiding van Chengyi Luo en Graham Greve kon toen gebruik maken van de verstrengeling die door de licht-materie interacties om een materie-golfinterferometer in een optische holte te creëren om de versnelling als gevolg van de zwaartekracht stiller en nauwkeuriger te detecteren. Dit is het eerste geval waarin een materie-golf-interferometer is waargenomen met een nauwkeurigheidsniveau dat de typische kwantumlimiet overschrijdt die wordt opgelegd door de kwantumruis van niet-verstrengelde atomen.
Thompson zei, “Dankzij de verbeterde precisie zien onderzoekers als Luo en Thompson veel toekomstige voordelen voor het gebruik van verstrengeling als hulpmiddel in kwantumsensoren. Ik denk dat we op een dag verstrengeling zullen kunnen introduceren in materie-golf-interferometers voor het detecteren van zwaartekrachtsgolven in de ruimte of voor het zoeken naar donkere materie – zaken die de fundamentele natuurkunde onderzoeken, maar ook apparaten die gebruikt kunnen worden voor alledaagse toepassingen zoals navigatie of geodesie.”
“Met deze gedenkwaardige experimentele vooruitgang hopen Thompson en zijn team dat anderen deze nieuwe, verstrengelde interferometerbenadering zullen gebruiken om tot andere vooruitgang op het gebied van de natuurkunde te leiden. Door alle griezelige dingen die we al kennen te leren benutten en beheersen, kunnen we misschien nieuwe griezelige dingen over het universum ontdekken waar we nog niet eens aan hebben gedacht!’
Journal Reference:
- Graham P. Greve et al., Verstrengeling-verbeterde materie-golfinterferometrie in een holte met hoge finesse, NATUUR (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05197-9
