Da bi ustvarili učinkovitejši kvantni senzor, je skupina raziskovalcev pri JILA prvič združila dva "najbolj srhljiva" vidika kvantne mehanike: zapletanje med atomi in delokalizacijo atomov.
Zapletanje je nenavaden učinek kvantna mehanika v katerem to, kar se zgodi enemu atomu, nekako vpliva na drug atom nekje drugje. Drugi precej srhljiv vidik kvantne mehanike je delokalizacija, dejstvo, da je en atom lahko hkrati na več kot enem mestu.
V tej študiji so raziskovalci združili srhljivost obeh zapletanje in delokalizacijo za ustvarjanje interferometra snovi in valovanja, ki lahko zaznava pospeške z natančnostjo, ki presega standardno kvantno mejo. Prihodnost kvantni senzorji bo lahko zagotovil natančnejšo navigacijo, iskal potrebne naravne vire, natančneje določil temeljne konstante, kot so fina struktura in gravitacijske konstante, iskal temna snov bolj natančno in morda celo zaznati gravitacijski valovi nekega dne z dvigovanjem grozljivosti.
Raziskovalci so za prepletanje uporabili svetlobo, ki se odbija med ogledali, imenovano optična votlina. To je omogočilo, da je informacija skočila med atome in jih spletla v zapleteno stanje. Z uporabo te posebne tehnike, ki temelji na svetlobi, so izdelali in opazovali nekatera najgosteje zapletena stanja, ki so bila kdaj ustvarjena v katerem koli sistemu, bodisi atomskem, fotonskem ali trdnem. Z uporabo te tehnike je skupina oblikovala dva različna eksperimentalna pristopa, ki ju je uporabila v svojem nedavnem delu.
Pri prvi metodi, znani tudi kot kvantna nerušilna meritev, predhodno izmerijo kvantni hrup, povezan z njihovimi atomi, in nato to meritev izločijo iz enačbe. The kvantni šum vsakega atoma postane v korelaciji s kvantnim šumom vseh drugih atomov s postopkom, znanim kot zvijanje ene osi v drugi metodi, kjer se svetloba vbrizga v votlino. To omogoča, da atomi sodelujejo in postanejo tišji.
James K. Thompson, sodelavec JILA in NIST, je dejal, "Atomi so nekako kot otroci, ki drug drugega utišajo, da bi bili tiho, da lahko slišijo o zabavi, ki jim jo je obljubil učitelj, toda tukaj je zaplet tisti, ki utiša."
Interferometer snov-val
Interferometer valovanja snovi je eden najbolj natančnih in natančnih kvantnih senzorjev danes.
Podiplomski študent Chengyi Luo je pojasnil, »Ideja je, da uporabimo svetlobne impulze, da povzročimo, da se atomi premikajo hkrati in se ne premikajo, tako da absorbirajo in ne absorbirajo laser svetloba. To povzroči, da so atomi sčasoma istočasno na dveh različnih mestih hkrati."
"Atome usmerimo z laserskimi žarki, tako da kvantni valovni paket vsakega atoma razdelimo na dva dela, z drugimi besedami, delec obstaja v dveh ločenih prostorih hkrati."
Poznejši impulzi laserske svetlobe obrnejo proces in ponovno združijo kvantne valovne pakete, kar omogoča zaznavanje kakršnih koli sprememb v okolju, kot so pospeški ali rotacije, z merljivo veliko interferenco med obema komponentama atomskega valovnega paketa, podobno kot se izvaja s svetlobnimi polji v običajnih interferometrih, tukaj pa z de Brogliejevimi valovi ali valovi iz snovi.
Raziskovalna skupina je ugotovila, kako naj to deluje znotraj optične votline z visokoodbojnimi ogledali. Lahko so izmerili, kako daleč so atomi padli vzdolž navpično usmerjene votline zaradi teža v kvantni različici Galilejevega gravitacijskega eksperimenta spuščanje predmetov s poševnega stolpa v Pisi, vendar z vsemi prednostmi natančnosti in točnosti, ki jih prinaša kvantna mehanika.
Skupina podiplomskih študentov, ki sta jo vodila Chengyi Luo in Graham Greve, je nato lahko uporabila zaplet, ki ga je ustvaril interakcije svetloba-snov ustvariti interferometer snov-val znotraj optične votline za tišje in natančnejše zaznavanje pospeška zaradi gravitacije. To je prvi primer, v katerem so opazili interferometer snov-val na stopnji natančnosti, ki presega tipično kvantno mejo, ki jo nalaga kvantni šum nezapletenih atomov.
Thompson je dejal, »Zahvaljujoč izboljšani natančnosti raziskovalci, kot sta Luo in Thompson, vidijo številne prihodnje koristi za uporabo prepletenosti kot vira v kvantnih senzorjih. Mislim, da bomo nekega dne lahko uvedli zapletanje v interferometre snovi in valov za zaznavanje gravitacijskih valov v vesolju ali za iskanje temne snovi - stvari, ki sondirajo temeljno fiziko, pa tudi naprave, ki jih je mogoče uporabiti za vsakodnevne aplikacije, kot je navigacija ali geodezija."
»S tem pomembnim eksperimentalnim napredkom Thompson in njegova ekipa upajo, da bodo drugi uporabili ta novi pristop zapletenega interferometra, da bi pripeljali do drugih napredkov na področju fizike. Če se naučimo izkoristiti in nadzorovati vse grozljive stvari, o katerih že vemo, bomo morda lahko odkrili nove srhljive stvari o vesolju, na katere še pomislili nismo!«
Referenca dnevnika:
- Graham P. Greve et al., Interferometrija materije in vala, izboljšana s prepletanjem v votlini z visoko natančnostjo, Narava (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05197-9
