Чтобы создать более эффективный квантовый датчик, группа исследователей из JILA впервые объединила два самых «жутких» аспекта квантовой механики: запутанность между атомами и делокализацию атомов.
Запутанность — это странный эффект квантовая механика в котором то, что происходит с одним атомом, каким-то образом влияет на другой атом где-то еще. Второй довольно жуткий аспект квантовой механики — делокализация, то есть тот факт, что один атом может одновременно находиться более чем в одном месте.
В этом исследовании исследователи объединили призрачность обоих запутанность и делокализация для создания интерферометра материи-волны, который может измерять ускорения с точностью, превышающей стандартный квантовый предел. Будущее квантовые датчики смогут обеспечить более точную навигацию, поиск необходимых природных ресурсов, более точное определение фундаментальных констант, таких как тонкая структура и гравитационные постоянные, поиск темной материи точнее, а может даже обнаружить гравитационные волны однажды, усилив привидение.
Исследователи использовали для запутывания свет, отражающийся между зеркалами, называемый оптическим резонатором. Это позволяло информации прыгать между атомами и связывать их в запутанное состояние. Используя эту специальную технику, основанную на свете, они создали и наблюдали некоторые из наиболее плотно запутанных состояний, когда-либо созданных в любой системе, будь то атомная, фотонная или твердотельная. Используя эту технику, группа разработала два различных экспериментальных подхода, которые они использовали в своей недавней работе.
В первом методе, также известном как квантовое измерение без разрушения, они предварительно измеряют квантовый шум, связанный с их атомами, а затем исключают это измерение из уравнения. квантовый шум каждого атома становится коррелированным с квантовым шумом всех других атомов в результате процесса, известного как одноосное скручивание во втором методе, когда свет вводится в полость. Это позволяет атомам работать вместе, чтобы стать тише.
Джеймс К. Томпсон, научный сотрудник JILA и NIST, сказал: «Атомы похожи на детей, которые шикают друг на друга, чтобы замолчать, чтобы они могли услышать о вечеринке, которую им обещал учитель, но здесь это запутанность, которая заставляет шикать».
Интерферометр материи-волны
Интерферометр материи-волны на сегодняшний день является одним из самых точных и точных квантовых датчиков.
Аспирант Ченги Луо объяснил: «Идея состоит в том, что можно использовать импульсы света, чтобы заставить атомы двигаться одновременно и не двигаться, одновременно поглощая и не поглощая. лазер свет. Это заставляет атомы с течением времени одновременно находиться в двух разных местах сразу».
«Мы направляем лазерные лучи на атомы, поэтому мы разделяем квантовый волновой пакет каждого атома на две части, другими словами, частица существует в двух отдельных пространствах одновременно».
Более поздние импульсы лазерного света обращают процесс вспять, соединяя квантовые волновые пакеты вместе, позволяя ощущать любые изменения в окружающей среде, такие как ускорения или вращения, с помощью измеримо большой интерференции между двумя компонентами атомного волнового пакета, во многом подобно делается с помощью световых полей в обычных интерферометрах, но здесь с волнами де Бройля, или волнами, состоящими из материи.
Исследовательская группа определила, как заставить это работать внутри оптического резонатора с высокоотражающими зеркалами. Они могли измерить, как далеко атомы упали вдоль вертикально ориентированной полости из-за вес в квантовой версии гравитационного эксперимента Галилея, сбрасывающего предметы с Пизанской башни, но со всеми преимуществами точности и аккуратности, которые дает квантовая механика.
Затем группа аспирантов во главе с Ченги Луо и Грэмом Гривом смогла использовать запутанность, созданную взаимодействие света с материей создать интерферометр материи-волны внутри оптического резонатора, чтобы более тихо и точно обнаруживать ускорение под действием силы тяжести. Это первый случай наблюдения интерферометра материи-волны с уровнем точности, превышающим типичный квантовый предел, налагаемый квантовым шумом незапутанных атомов.
Томпсон — сказал, «Благодаря повышенной точности такие исследователи, как Луо и Томпсон, видят много будущих преимуществ использования запутанности в качестве ресурса в квантовых датчиках. Я думаю, что однажды мы сможем ввести запутанность в интерферометры волн материи для обнаружения гравитационных волн в космосе или для поиска темной материи — вещи, которые исследуют фундаментальную физику, а также устройства, которые можно использовать для повседневных приложений, таких как навигация или геодезия».
«С этим важным экспериментальным достижением Томпсон и его команда надеются, что другие будут использовать этот новый подход с запутанным интерферометром, чтобы привести к другим достижениям в области физики. Научившись использовать и контролировать все жуткие явления, о которых мы уже знаем, возможно, мы сможем открыть для себя новые жуткие вещи во Вселенной, о которых мы еще даже не думали!»
Справочник журнала:
- Грэм П. Грев и др., Интерферометрия материи и волны с усилением запутанности в высокоточной полости, природа (2022). ДОИ: 10.1038/s41586-022-05197-9
