เพื่อสร้างเซ็นเซอร์ควอนตัมที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น เป็นครั้งแรกที่ทีมนักวิจัยของ JILA ได้รวมเอาแง่มุมที่ "น่ากลัวที่สุด" ของกลศาสตร์ควอนตัมสองประการเข้าด้วยกัน นั่นคือ การพัวพันระหว่างอะตอมและการแยกส่วนของอะตอม
ความพัวพันเป็นผลที่แปลกประหลาดของ กลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งสิ่งที่เกิดขึ้นกับอะตอมหนึ่งจะมีอิทธิพลต่ออีกอะตอมหนึ่งที่อื่น ลักษณะที่ค่อนข้างน่ากลัวประการที่สองของกลศาสตร์ควอนตัมคือการแยกส่วน ความจริงที่ว่าอะตอมเดี่ยวสามารถอยู่ในที่มากกว่าหนึ่งแห่งพร้อมกัน
ในการศึกษานี้ นักวิจัยได้รวมเอาความน่ากลัวของทั้งสองอย่างเข้าด้วยกัน สิ่งกีดขวาง และการแยกส่วนเพื่อสร้างอินเทอร์เฟอโรมิเตอร์แบบคลื่นสสารที่สามารถตรวจจับความเร่งได้อย่างแม่นยำซึ่งเกินขีดจำกัดควอนตัมมาตรฐาน อนาคต ควอนตัมเซนเซอร์ จะสามารถให้การนำทางที่แม่นยำยิ่งขึ้น ค้นหาทรัพยากรธรรมชาติที่จำเป็น กำหนดค่าคงที่พื้นฐาน เช่น โครงสร้างละเอียดและค่าคงที่แรงโน้มถ่วงได้แม่นยำยิ่งขึ้น ค้นหา สสารมืด แม่นยำยิ่งขึ้น และอาจตรวจจับได้ด้วยซ้ำ คลื่นโน้มถ่วง สักวันหนึ่งด้วยการปลุกเร้าความน่าสะพรึงกลัว
นักวิจัยใช้แสงที่สะท้อนระหว่างกระจกที่เรียกว่าช่องแสงเพื่อพัวพัน สิ่งนี้ทำให้ข้อมูลสามารถข้ามไปมาระหว่างอะตอมและถักพวกมันให้อยู่ในสภาพที่พันกัน ด้วยการใช้เทคนิคพิเศษเกี่ยวกับแสงนี้ พวกเขาได้สร้างและสังเกตสภาวะที่พันกันหนาแน่นที่สุดเท่าที่เคยมีมาในระบบใดๆ ไม่ว่าจะเป็นอะตอม โฟโตนิก หรือสถานะของแข็ง การใช้เทคนิคนี้ กลุ่มได้ออกแบบวิธีการทดลองที่แตกต่างกันสองวิธี ซึ่งพวกเขาใช้ในงานล่าสุดของพวกเขา
ในวิธีแรกหรือที่เรียกว่าการวัดการไม่รื้อถอนควอนตัม พวกเขาจะตรวจวัดสัญญาณรบกวนควอนตัมที่เชื่อมโยงกับอะตอมของพวกมันก่อน จากนั้นจึงนำการวัดนั้นออกจากสมการ ที่ เสียงควอนตัมของแต่ละอะตอม มีความสัมพันธ์กับเสียงควอนตัมของอะตอมอื่นๆ ทั้งหมดโดยกระบวนการที่เรียกว่าการบิดแกนเดียวในวิธีที่สอง โดยที่แสงถูกฉีดเข้าไปในโพรง สิ่งนี้ทำให้อะตอมทำงานร่วมกันและเงียบลง
JILA และเพื่อน NIST James K. Thompson กล่าวว่า “อะตอมเป็นเหมือนเด็กๆ ที่ซุกปากให้กันเงียบๆ เพื่อที่พวกเขาจะได้ได้ยินเกี่ยวกับงานปาร์ตี้ที่ครูสัญญาไว้ แต่นี่คือความพัวพันที่ทำให้เกิดอาการเงียบ”
อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์คลื่นสสาร
Matter-wave Interferometer เป็นหนึ่งในเซ็นเซอร์ควอนตัมที่แม่นยำและแม่นยำที่สุดในปัจจุบัน
นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา Chengyi Luo อธิบายว่า “แนวคิดก็คือเราใช้แสงเป็นจังหวะทำให้อะตอมเคลื่อนที่ไปพร้อมๆ กัน และไม่เคลื่อนที่โดยมีทั้งแบบดูดกลืนและไม่ดูดกลืน เลเซอร์ แสงสว่าง. สิ่งนี้ทำให้อะตอมอยู่ในตำแหน่งที่แตกต่างกันสองแห่งพร้อมกันเมื่อเวลาผ่านไป”
“เราฉายลำแสงเลเซอร์บนอะตอม ดังนั้นเราจึงแยกแพ็กเก็ตคลื่นควอนตัมของแต่ละอะตอมออกเป็นสองส่วน หรืออีกนัยหนึ่งก็คือ อนุภาคนั้นอยู่ในช่องว่างที่แยกจากกันสองแห่งพร้อมกัน”
พัลส์ของแสงเลเซอร์ในเวลาต่อมาจะกลับกระบวนการ โดยนำแพ็กเก็ตคลื่นควอนตัมกลับมารวมกัน ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงใดๆ ในสภาพแวดล้อม เช่น ความเร่งหรือการหมุน ที่จะรับรู้ได้จากการรบกวนขนาดใหญ่ที่วัดได้ระหว่างส่วนประกอบทั้งสองของแพ็กเก็ตคลื่นอะตอม คล้ายกันมาก ทำด้วยสนามแสงในอินเทอร์เฟอโรมิเตอร์ธรรมดา แต่ที่นี่เป็นคลื่นเดอบรอกลีหรือคลื่นที่ทำจากสสาร
ทีมวิจัยได้กำหนดวิธีการทำงานนี้ภายในช่องแสงที่มีกระจกสะท้อนแสงสูง พวกเขาสามารถวัดได้ว่าอะตอมตกลงไปตามช่องแนวตั้งได้ไกลแค่ไหน แรงดึงดูด ในเวอร์ชันควอนตัมของการทดลองแรงโน้มถ่วงของกาลิเลโอโดยทิ้งสิ่งของจากหอเอนเมืองปิซา แต่ด้วยข้อดีทั้งหมดของความแม่นยำและความแม่นยำที่มาจากกลศาสตร์ควอนตัม
จากนั้นกลุ่มนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาที่นำโดย Chengyi Luo และ Graham Greve ก็สามารถใช้สิ่งกีดขวางที่สร้างขึ้นโดย ปฏิสัมพันธ์ระหว่างสสารแสง เพื่อสร้างอินเทอร์เฟอโรมิเตอร์คลื่นสสารภายในช่องแสงเพื่อตรวจจับความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงได้เงียบและแม่นยำยิ่งขึ้น นี่เป็นตัวอย่างแรกที่มีการสังเกตอินเทอร์เฟอโรมิเตอร์แบบคลื่นสสารที่ระดับความแม่นยำซึ่งเกินขีดจำกัดควอนตัมทั่วไปที่กำหนดโดยสัญญาณรบกวนควอนตัมของอะตอมที่ไม่พันกัน
ธ อมป์สัน กล่าวว่า, “ต้องขอบคุณความแม่นยำที่เพิ่มขึ้น นักวิจัยอย่าง Luo และ Thompson มองเห็นประโยชน์มากมายในอนาคตจากการใช้สิ่งกีดขวางเป็นทรัพยากรในเซ็นเซอร์ควอนตัม ฉันคิดว่าสักวันหนึ่งเราจะสามารถนำสิ่งกีดขวางเข้าไปในอินเทอร์เฟอโรมิเตอร์ของคลื่นสสารเพื่อตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงในอวกาศหรือสำหรับการค้นหาสสารมืด สิ่งต่าง ๆ ที่ตรวจสอบฟิสิกส์พื้นฐาน เช่นเดียวกับอุปกรณ์ที่สามารถใช้สำหรับการใช้งานในชีวิตประจำวัน เช่น การนำทางหรือ ธรณีวิทยา”
“ด้วยความก้าวหน้าทางการทดลองครั้งสำคัญนี้ ทอมป์สันและทีมงานของเขาหวังว่าคนอื่นๆ จะใช้วิธีอินเทอร์เฟอโรมิเตอร์แบบพัวพันแบบใหม่นี้เพื่อนำไปสู่ความก้าวหน้าอื่นๆ ในสาขาฟิสิกส์ ด้วยการเรียนรู้ที่จะควบคุมและควบคุมความน่ากลัวทั้งหมดที่เรารู้อยู่แล้ว บางทีเราอาจค้นพบสิ่งน่ากลัวใหม่ๆ เกี่ยวกับจักรวาลที่เรายังไม่เคยนึกถึงมาก่อน!”
การอ้างอิงวารสาร:
- Graham P. Greve et al., อินเทอร์เฟอโรเมทคลื่นสสารที่ปรับปรุงด้วยการพัวพันในช่องที่มีความละเอียดอ่อนสูง ธรรมชาติ (2022). ดอย: 10.1038/s41586-022-05197-9
