Aby stworzyć skuteczniejszy czujnik kwantowy, zespół badaczy z JILA po raz pierwszy połączył dwa „najstraszniejsze” aspekty mechaniki kwantowej: splątanie między atomami i delokalizację atomów.
Splątanie to dziwny efekt mechanika kwantowa w którym to, co dzieje się z jednym atomem, w jakiś sposób wpływa na inny atom w innym miejscu. Drugim dość przerażającym aspektem mechaniki kwantowej jest delokalizacja, czyli fakt, że pojedynczy atom może jednocześnie znajdować się w więcej niż jednym miejscu.
W tym badaniu naukowcy połączyli upiorność obu uwikłanie i delokalizację w celu stworzenia interferometru fal materii, który może wykrywać przyspieszenia z precyzją przekraczającą standardową granicę kwantową. Przyszły czujniki kwantowe będzie w stanie zapewnić dokładniejszą nawigację, szukać niezbędnych zasobów naturalnych, dokładniej wyznaczać podstawowe stałe, takie jak drobnoziarnista struktura i stałe grawitacyjne, szukać ciemna materia dokładniej, a może nawet wykryć fale grawitacyjne pewnego dnia, zwiększając grozę.
Do splątania badacze wykorzystali odbicie światła między zwierciadłami, zwane wnęką optyczną. Umożliwiło to informacjom przeskakiwanie między atomami i wprowadzanie ich w stan splątany. Korzystając ze specjalnej techniki wykorzystującej światło, wytworzyli i zaobserwowali jedne z najgęściej splątanych stanów, jakie kiedykolwiek wygenerowano w jakimkolwiek układzie atomowym, fotonicznym czy stałym. Korzystając z tej techniki, grupa zaprojektowała dwa różne podejścia eksperymentalne, które wykorzystała w swojej ostatniej pracy.
W pierwszej metodzie, znanej również jako kwantowy pomiar bez rozbiórki, mierzą wstępnie szum kwantowy związany z ich atomami, a następnie usuwają ten pomiar z równania. The szum kwantowy każdego atomu zostaje skorelowany z szumem kwantowym wszystkich pozostałych atomów w procesie znanym jako skręcanie jednoosiowe w drugiej metodzie, podczas którego do wnęki wprowadzane jest światło. Dzięki temu atomy mogą współpracować, aby stać się cichszymi.
James K. Thompson, członek JILA i NIST, powiedział: „Atomy działają trochę jak dzieci, które uciszają się nawzajem, żeby uciszyć się, żeby usłyszeć o imprezie, którą obiecał im nauczyciel, ale tutaj to splątanie powoduje uciszanie”.
Interferometr fal materii
Interferometr fal materii jest obecnie jednym z najbardziej precyzyjnych i dokładnych czujników kwantowych.
Absolwent Chengyi Luo wyjaśnił: „Pomysł jest taki, że wykorzystuje się impulsy światła, aby spowodować równoczesny ruch atomów i wstrzymanie ich ruchu, w ten sposób, że są one jednocześnie zaabsorbowane i nie zaabsorbowane. laser światło. To powoduje, że atomy z czasem znajdują się jednocześnie w dwóch różnych miejscach.”
„Świecimy na atomy wiązkami lasera, więc dzielimy pakiet fal kwantowych każdego atomu na dwie części, innymi słowy, cząstka istnieje jednocześnie w dwóch oddzielnych przestrzeniach”.
Późniejsze impulsy światła laserowego odwracają ten proces, ponownie łącząc pakiety fal kwantowych, umożliwiając wykrycie wszelkich zmian w środowisku, takich jak przyspieszenia lub rotacje, poprzez mierzalnie dużą interferencję między dwoma składnikami pakietu fal atomowych, podobnie jak odbywa się za pomocą pól świetlnych w konwencjonalnych interferometrach, ale tutaj za pomocą fal de Broglie'a, czyli fal zbudowanych z materii.
Zespół badawczy ustalił, jak wykonać to zadanie we wnęce optycznej wyposażonej w lustra o wysokim współczynniku odbicia. Mogli zmierzyć, jak daleko atomy opadały wzdłuż pionowo zorientowanej wnęki powaga w kwantowej wersji eksperymentu grawitacyjnego Galileusza, zrzucającego przedmioty z Krzywej Wieży w Pizie, ale ze wszystkimi zaletami precyzji i dokładności, jakie zapewnia mechanika kwantowa.
Grupa absolwentów kierowana przez Chengyi Luo i Grahama Greve’a była w stanie wykorzystać splątanie utworzone przez interakcje światło-materia stworzenie interferometru fal materii we wnęce optycznej w celu cichszego i dokładniejszego wykrywania przyspieszenia grawitacyjnego. To pierwszy przypadek, w którym zaobserwowano interferometr fal materii z precyzją przekraczającą typową granicę kwantową narzuconą przez szum kwantowy niesplątanych atomów.
Thompson powiedziany, „Dzięki zwiększonej precyzji badacze tacy jak Luo i Thompson dostrzegają wiele przyszłych korzyści wynikających z wykorzystania splątania jako źródła czujników kwantowych. Myślę, że pewnego dnia będziemy mogli wprowadzić splątanie do interferometrów fal materii do wykrywania fal grawitacyjnych w przestrzeni kosmicznej lub do poszukiwań ciemnej materii – obiektów badających podstawowe fizyki, a także urządzeń, które można wykorzystać w codziennych zastosowaniach, takich jak nawigacja czy geodezja."
„Dzięki temu doniosłemu postępowi eksperymentalnemu Thompson i jego zespół mają nadzieję, że inni wykorzystają to nowe podejście do splątanego interferometru, aby doprowadzić do innych postępów w dziedzinie fizyki. Ucząc się okiełznać i kontrolować całą grozę, o której już wiemy, być może uda nam się odkryć nowe straszne rzeczy we wszechświecie, o których jeszcze nawet nie pomyśleliśmy!”
Referencje czasopisma:
- Graham P. Greve i in., Interferometria fal materii wzmocniona splątaniem w wnęce o wysokiej finezji, Natura (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05197-9
