För att skapa en mer effektiv kvantsensor har ett team av forskare vid JILA för första gången slagit samman två av de "läskigaste" aspekterna av kvantmekaniken: intrassling mellan atomer och delokalisering av atomer.
Entanglement är den märkliga effekten av kvantmekanik där det som händer med en atom på något sätt påverkar en annan atom någon annanstans. En andra ganska spöklik aspekt av kvantmekaniken är delokalisering, det faktum att en enda atom samtidigt kan finnas på mer än en plats.
I den här studien kombinerade forskare bådas kuslighet intrassling och delokalisering för att skapa en materievågsinterferometer som kan känna av accelerationer med en precision som överstiger standardkvantgränsen. Framtida kvantsensorer kommer att kunna ge mer exakt navigering, söka efter nödvändiga naturresurser, bestämma grundläggande konstanter som finstrukturen och gravitationskonstanter mer exakt, söka efter mörk materia mer exakt, och kanske till och med upptäcka gravitationsvågor en dag genom att spänna upp spöklikheten.
Forskare använde ljus som studsade mellan speglar, som kallas en optisk hålighet, för att trassla in sig. Detta gjorde det möjligt för information att hoppa mellan atomerna och knyta ihop dem till ett intrasslat tillstånd. Genom att använda denna speciella ljusbaserade teknik har de producerat och observerat några av de mest tätt intrasslade tillstånden som någonsin genererats i något system, vare sig det är atomärt, fotoniskt eller fast tillstånd. Med denna teknik designade gruppen två distinkta experimentella tillvägagångssätt, som de använde i sitt senaste arbete.
I den första metoden, även känd som en quantum non-demolition-mätning, förmäter de det kvantbrus som är kopplat till deras atomer och tar sedan ut den mätningen ur ekvationen. De kvantbrus för varje atom blir korrelerad med kvantbruset från alla andra atomer genom en process som kallas en-axlig vridning i den andra metoden, där ljus injiceras i kaviteten. Detta gör att atomerna kan arbeta tillsammans för att bli tystare.
JILA och NIST-kollegan James K. Thompson sa: "Atomerna är ungefär som barn som tystar varandra för att vara tysta så att de kan höra om festen som läraren har lovat dem, men här är det förvecklingen som gör det."
Matter-wave interferometer
Matter-wave-interferometern är en av de mest exakta och exakta kvantsensorerna idag.
Doktoranden Chengyi Luo förklarade, "Tanken är att man använder ljuspulser för att få atomer att röra sig samtidigt och inte röra sig genom att ha både absorberat och inte absorberat Lasern ljus. Detta gör att atomerna över tid samtidigt befinner sig på två olika platser samtidigt."
"Vi lyser laserstrålar på atomerna, så vi delar upp varje atoms kvantvågspaket i två, med andra ord, partikeln existerar i två separata utrymmen samtidigt."
Senare pulser av laserljus vänder processen och för samman kvantvågspaketen igen, vilket gör att alla förändringar i miljön, såsom accelerationer eller rotationer, kan avkännas av en mätbart stor interferens mellan de två komponenterna i atomvågpaketet, ungefär som görs med ljusfält i konventionella interferometrar, men här med de Broglie-vågor, eller vågor gjorda av materia.
Forskargruppen bestämde hur man skulle få detta att fungera inuti en optisk hålighet med högreflekterande speglar. De kunde mäta hur långt atomerna föll längs den vertikalt orienterade håligheten pga tyngdkraften i en kvantversion av Galileos gravitationsexperiment som släpper föremål från det lutande tornet i Pisa, men med alla fördelarna med precision och noggrannhet som kommer från kvantmekaniken.
Gruppen doktorander ledda av Chengyi Luo och Graham Greve kunde sedan använda den förveckling som skapades av ljus-materia interaktioner att skapa en materiavågsinterferometer inuti en optisk kavitet för att detektera accelerationen på grund av gravitationen tystare och mer exakt. Detta är det första fallet där en materiavågsinterferometer har observerats med en precisionsnivå som överskrider den typiska kvantgränsen som påläggs av kvantbruset från icke intrasslade atomer.
Thompson sade, "Tack vare den förbättrade precisionen ser forskare som Luo och Thompson många framtida fördelar med att använda intrassling som en resurs i kvantsensorer. Jag tror att vi en dag kommer att kunna introducera intrassling i materia-vågsinterferometrar för att detektera gravitationsvågor i rymden eller för sökningar av mörk materia – saker som undersöker fundamental fysik, såväl som enheter som kan användas för vardagliga tillämpningar som navigering eller geodesi."
"Med detta betydelsefulla experimentella framsteg hoppas Thompson och hans team att andra kommer att använda denna nya intrasslade interferometermetod för att leda till andra framsteg inom fysikområdet. Genom att lära oss att utnyttja och kontrollera allt kusligt vi redan känner till, kanske vi kan upptäcka nya kusliga saker om universum som vi inte ens har tänkt på än!”
Tidskriftsreferens:
- Graham P. Greve et al., Entanglement-enhanced matter-wave interferometry in a high-finesse cavity, Natur (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05197-9
