Pentru a crea un senzor cuantic mai eficient, o echipă de cercetători de la JILA a fuzionat, pentru prima dată, două dintre cele mai „infricosatoare” aspecte ale mecanicii cuantice: încurcarea dintre atomi și delocalizarea atomilor.
Încurcarea este efectul ciudat al mecanica cuantică în care ceea ce se întâmplă cu un atom influențează cumva un alt atom în altă parte. Un al doilea aspect destul de înfricoșător al mecanicii cuantice este delocalizarea, faptul că un singur atom poate fi simultan în mai multe locuri.
În acest studiu, cercetătorii au combinat înfricoșarea ambelor rețea de sârmă ghimpată și delocalizare pentru a crea un interferometru cu unde de materie care poate detecta accelerațiile cu o precizie care depășește limita cuantică standard. Viitor senzori cuantici va fi capabil să ofere o navigație mai precisă, să caute resursele naturale necesare, să determine constante fundamentale precum structura fină și constantele gravitaționale mai precis, să caute materia întunecată mai precis, și poate chiar detectați valuri gravitationale într-o zi, ridicând înfricoșarea.
Cercetătorii au folosit lumina care sări între oglinzi, numită cavitate optică, pentru încurcare. Acest lucru a permis informațiilor să sară între atomi și să le împletească într-o stare încurcată. Folosind această tehnică specială bazată pe lumină, ei au produs și observat unele dintre cele mai dens încurcate stări generate vreodată în orice sistem, fie el atomic, fotonic sau în stare solidă. Folosind această tehnică, grupul a proiectat două abordări experimentale distincte, pe care le-au folosit în munca lor recentă.
În prima metodă, cunoscută și sub denumirea de măsurare cuantică de non-demolare, ei măsoară în prealabil zgomotul cuantic legat de atomii lor și apoi iau acea măsurătoare din ecuație. The zgomotul cuantic al fiecărui atom devine corelat cu zgomotul cuantic al tuturor celorlalți atomi printr-un proces cunoscut sub numele de răsucire pe o singură axă în a doua metodă, în care lumina este injectată în cavitate. Acest lucru permite atomilor să lucreze împreună pentru a deveni mai liniștiți.
Fellow JILA și NIST James K. Thompson a spus: „Atomii sunt un fel ca niște copii care tăceau unii pe alții pentru a fi liniștiți, astfel încât să poată auzi despre petrecerea pe care profesorul le-a promis, dar aici este încâlcirea care face să tacă.”
Interferometru cu unde de materie
Interferometrul cu undă de materie este unul dintre cei mai precisi și mai precisi senzori cuantici din ziua de azi.
Studentul absolvent Chengyi Luo a explicat: „Ideea este că cineva folosește pulsuri de lumină pentru a determina atomii să se miște simultan și să nu se miște, absorbiți și neabsorbiți. cu laser ușoară. Acest lucru face ca atomii de-a lungul timpului să fie simultan în două locuri diferite simultan.”
„Strălucim raze laser asupra atomilor, așa că împărțim pachetul de unde cuantice al fiecărui atom în două, cu alte cuvinte, particula există în două spații separate simultan.”
Pulsurile ulterioare de lumină laser inversează procesul, readucând pachetele de unde cuantice împreună, permițând ca orice modificări ale mediului, cum ar fi accelerațiile sau rotațiile, să fie detectate printr-o interferență măsurabil de mare între cele două componente ale pachetului de unde atomice, la fel ca se face cu câmpuri luminoase în interferometrele convenționale, dar aici cu unde de Broglie, sau unde făcute din materie.
Echipa de cercetare a determinat cum să facă acest lucru în interiorul unei cavități optice cu oglinzi foarte reflectorizante. Ei au putut măsura cât de departe au căzut atomii de-a lungul cavității orientate vertical datorită gravitate într-o versiune cuantică a experimentului gravitațional al lui Galileo, aruncând obiecte din Turnul înclinat din Pisa, dar cu toate beneficiile de precizie și acuratețe care provin de la mecanica cuantică.
Grupul de studenți absolvenți condus de Chengyi Luo și Graham Greve au putut apoi să folosească încurcătura creată de interacțiunile lumină-materie pentru a crea un interferometru cu unde de materie în interiorul unei cavități optice pentru a detecta accelerația datorată gravitației mai silentios și mai precis. Acesta este primul caz în care un interferometru cu unde de materie a fost observat la un nivel de precizie care depășește limita cuantică tipică impusă de zgomotul cuantic al atomilor neîncurcați.
Thompson a spus, „Mulțumită preciziei îmbunătățite, cercetători precum Luo și Thompson văd multe beneficii viitoare pentru utilizarea întanglementului ca resursă în senzorii cuantici. Cred că într-o zi vom fi capabili să introducem încâlcirea în interferometre cu unde de materie pentru detectarea undelor gravitaționale în spațiu sau pentru căutări de materie întunecată - lucruri care cercetează fizica fundamentală, precum și dispozitive care pot fi folosite pentru aplicații de zi cu zi, cum ar fi navigația sau geodezie."
„Cu acest avans experimental important, Thompson și echipa sa speră că alții vor folosi această nouă abordare a interferometrului încurcat pentru a duce la alte progrese în domeniul fizicii. Învățând să valorificăm și să controlăm toate înfricoșările despre care știm deja, poate putem descoperi noi lucruri înfricoșătoare despre univers la care nici măcar nu ne-am gândit încă!”
Referința jurnalului:
- Graham P. Greve și colab., Entanglement-enhanced matter-wave interferometry in a high-finesse cavity, Natură (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05197-9
