For å skape en mer effektiv kvantesensor, har et team av forskere ved JILA for første gang slått sammen to av de "skummelste" aspektene ved kvantemekanikk: sammenfiltring mellom atomer og delokalisering av atomer.
Entanglement er den merkelige effekten av kvantemekanikk der det som skjer med ett atom på en eller annen måte påvirker et annet atom et annet sted. Et annet ganske skummelt aspekt ved kvantemekanikk er delokalisering, det faktum at et enkelt atom samtidig kan være på mer enn ett sted.
I denne studien kombinerte forskerne det skumle til begge forviklinger og delokalisering for å lage et materiebølge-interferometer som kan registrere akselerasjoner med en presisjon som overgår standard kvantegrense. Framtid kvantesensorer vil kunne gi mer nøyaktig navigasjon, søke etter nødvendige naturressurser, bestemme fundamentale konstanter som finstrukturen og gravitasjonskonstanter mer presist, søke etter mørk materie mer presist, og kanskje til og med oppdage gravitasjonsbølger en dag ved å skrape opp det skumle.
Forskere brukte lys som spretter mellom speil, kalt et optisk hulrom, for sammenfiltring. Dette tillot informasjon å hoppe mellom atomene og strikke dem til en sammenfiltret tilstand. Ved å bruke denne spesielle lysbaserte teknikken har de produsert og observert noen av de tettest sammenfiltrede tilstandene som noen gang er generert i ethvert system, enten det er atom, fotonisk eller fast tilstand. Ved å bruke denne teknikken designet gruppen to distinkte eksperimentelle tilnærminger, som de brukte i sitt siste arbeid.
I den første metoden, også kjent som en kvantefri måling, formåler de kvantestøyen knyttet til atomene deres og tar deretter målingen ut av ligningen. De kvantestøy for hvert atom blir korrelert med kvantestøyen til alle de andre atomene ved en prosess kjent som en-akse vridning i den andre metoden, hvor lys injiseres inn i hulrommet. Dette gjør at atomene kan jobbe sammen for å bli roligere.
JILA og NIST-stipendiat James K. Thompson sa: "Atomene er på en måte som barn som hyser på hverandre for å være stille slik at de kan høre om festen læreren har lovet dem, men her er det forviklingen som gjør hysingen."
Matter-wave interferometer
Matter-wave interferometeret er en av de mest presise og nøyaktige kvantesensorene i dag.
Graduate student Chengyi Luo forklarte, "Ideen er at man bruker lyspulser for å få atomer til å bevege seg samtidig og ikke bevege seg ved å ha både absorbert og ikke absorbert laser lys. Dette fører til at atomene over tid samtidig er på to forskjellige steder på en gang."
"Vi skinner laserstråler på atomene, så vi deler hvert atoms kvantebølgepakke i to, med andre ord, partikkelen eksisterer i to separate rom samtidig."
Senere pulser av laserlys reverserer prosessen, og bringer kvantebølgepakkene sammen igjen, slik at endringer i miljøet, for eksempel akselerasjoner eller rotasjoner, kan registreres av en målbar stor interferens mellom de to komponentene i atombølgepakken, omtrent som gjøres med lysfelt i konvensjonelle interferometre, men her med de Broglie-bølger, eller bølger laget av materie.
Forskerteamet bestemte hvordan dette skulle fungere inne i et optisk hulrom med høyreflekterende speil. De kunne måle hvor langt atomene falt langs det vertikalt orienterte hulrommet pga gravitasjon i en kvanteversjon av Galileos gravitasjonseksperiment som slipper gjenstander fra det skjeve tårnet i Pisa, men med alle fordelene med presisjon og nøyaktighet som kommer fra kvantemekanikk.
Gruppen av doktorgradsstudenter ledet av Chengyi Luo og Graham Greve var da i stand til å bruke sammenfiltringen skapt av lys-materie interaksjoner å lage et materiebølge-interferometer inne i et optisk hulrom for å oppdage akselerasjonen på grunn av tyngdekraften mer stillegående og nøyaktig. Dette er det første tilfellet der et materiebølge-interferometer har blitt observert med et presisjonsnivå som overskrider den typiske kvantegrensen som pålegges av kvantestøyen til usammenfiltrede atomer.
Thompson sa, "Takket være den forbedrede presisjonen ser forskere som Luo og Thompson mange fremtidige fordeler ved å bruke sammenfiltring som en ressurs i kvantesensorer. Jeg tror at vi en dag vil være i stand til å introdusere sammenfiltring i materiebølge-interferometre for å oppdage gravitasjonsbølger i rommet eller for søk etter mørk materie – ting som undersøker grunnleggende fysikk, så vel som enheter som kan brukes til hverdagslige applikasjoner som navigasjon eller geodesi.»
"Med denne betydningsfulle eksperimentelle fremskritt håper Thompson og teamet hans at andre vil bruke denne nye sammenfiltrede interferometertilnærmingen for å føre til andre fremskritt innen fysikkfeltet. Ved å lære å utnytte og kontrollere alt det skumle vi allerede vet om, kan vi kanskje oppdage nye skumle ting om universet som vi ikke engang har tenkt på ennå!»
Tidsreferanse:
- Graham P. Greve et al., Entanglement-enhanced matter-wave interferometry in a high-finesse cavity, Natur (2022). GJØR JEG: 10.1038/s41586-022-05197-9
