Daha etkili bir kuantum sensörü oluşturmak için, JILA'daki bir araştırmacı ekibi ilk kez kuantum mekaniğinin "en ürkütücü" iki yönünü birleştirdi: atomlar arasındaki dolaşma ve atomların yer değiştirmesi.
Dolaşma garip bir etkidir Kuantum mekaniği Burada bir atomun başına gelen, bir şekilde başka bir yerdeki başka bir atomu da etkiliyor. Kuantum mekaniğinin ikinci oldukça ürkütücü yönü, tek bir atomun aynı anda birden fazla yerde olabileceği gerçeği olan yer değiştirmedir.
Bu çalışmada araştırmacılar her ikisinin de ürkütücülüğünü birleştirdi. dolaşıklık ve hızlanmaları standart kuantum sınırını aşan bir hassasiyetle algılayabilen bir madde-dalga interferometresi yaratmak için yerelleştirme. Gelecek kuantum sensörleri Daha doğru navigasyon sağlayabilecek, gerekli doğal kaynakları araştırabilecek, ince yapı ve yerçekimi sabitleri gibi temel sabitleri daha kesin olarak belirleyebilecek, karanlık madde daha kesin olarak ve hatta belki tespit etmek yerçekimi dalgaları bir gün ürkütücülüğü arttırarak.
Araştırmacılar, dolaşma için optik boşluk adı verilen aynalar arasında sıçrayan ışığı kullandılar. Bu, bilginin atomlar arasında geçiş yapmasına ve onları dolaşık bir duruma getirmesine olanak sağladı. Bu özel ışık bazlı tekniği kullanarak, atomik, fotonik veya katı hal olsun, herhangi bir sistemde şimdiye kadar üretilmiş en yoğun dolaşmış durumların bazılarını ürettiler ve gözlemlediler. Grup, bu tekniği kullanarak, son çalışmalarında kullandıkları iki farklı deneysel yaklaşım tasarladı.
Kuantum yıkımsız ölçüm olarak da bilinen ilk yöntemde, atomlarına bağlı kuantum gürültüsünü önceden ölçüyorlar ve ardından bu ölçümü denklemden çıkarıyorlar. Her atomun kuantum gürültüsü ışığın boşluğa enjekte edildiği ikinci yöntemde tek eksenli bükülme olarak bilinen bir işlemle diğer tüm atomların kuantum gürültüsüyle ilişkilendirilir. Bu, atomların birlikte çalışarak daha sessiz çalışmasını sağlar.
JILA ve NIST Üyesi James K. Thompson şunları söyledi: "Atomlar, öğretmenlerinin onlara söz verdiği partiyi duyabilmek için sessiz olmak için birbirlerini susturan çocuklar gibiler, ama burada susturmayı sağlayan şey dolaşıklık."
Madde-dalga Girişimölçer
Madde Dalgası İnterferometresi günümüzün en hassas ve doğru kuantum sensörlerinden biridir.
Yüksek lisans öğrencisi Chengyi Luo şöyle açıkladı: "Buradaki fikir, ışık darbelerini kullanarak atomların aynı anda hareket etmesini ve hem emilip hem de emilmemesini sağlayarak hareket etmemesidir. lazer ışık. Bu da zamanla atomların aynı anda iki farklı yerde bulunmasına neden oluyor.”
"Lazer ışınlarını atomların üzerine tutuyoruz, böylece her atomun kuantum dalga paketini ikiye bölüyoruz, yani parçacık aynı anda iki ayrı alanda var oluyor."
Daha sonraki lazer ışığı darbeleri süreci tersine çevirerek kuantum dalga paketlerini tekrar bir araya getirerek, hızlanma veya dönme gibi ortamdaki herhangi bir değişikliğin, atomik dalga paketinin iki bileşeni arasındaki ölçülebilir derecede büyük bir girişim tarafından algılanmasına olanak tanır. geleneksel girişimölçerlerdeki ışık alanlarıyla yapılır, ancak burada de Broglie dalgaları veya maddeden yapılmış dalgalar kullanılır.
Araştırma ekibi, bu çalışmanın yüksek oranda yansıtıcı aynalara sahip bir optik boşluk içinde nasıl yapılacağını belirledi. Dikey yönelimli boşluk boyunca atomların ne kadar uzağa düştüğünü ölçebildiler. yerçekimi Galileo'nun yerçekimi deneyinin kuantum versiyonunda, Pisa Kulesi'nden nesneler atılıyor, ancak kuantum mekaniğinin getirdiği hassasiyet ve doğruluğun tüm avantajlarıyla.
Chengyi Luo ve Graham Greve liderliğindeki yüksek lisans öğrencileri daha sonra bu karmaşıklığın yarattığı karışıklığı kullanabildiler. ışık-madde etkileşimleri Yerçekiminden kaynaklanan ivmeyi daha sessiz ve doğru bir şekilde tespit etmek için optik bir boşluk içinde bir madde-dalga interferometresi oluşturmak. Bu, dolanık olmayan atomların kuantum gürültüsünün dayattığı tipik kuantum sınırını aşan bir hassasiyet seviyesinde bir madde-dalga interferometresinin gözlemlendiği ilk örnektir.
Thompson şuraya, "Gelişmiş hassasiyet sayesinde Luo ve Thompson gibi araştırmacılar, dolanıklığı kuantum sensörlerinde bir kaynak olarak kullanmanın gelecekteki birçok faydasını görüyorlar. Bir gün, uzaydaki yerçekimsel dalgaları tespit etmek veya karanlık madde araştırmaları için madde-dalga interferometrelerine (temel fiziği araştıran şeylerin yanı sıra navigasyon veya navigasyon gibi günlük uygulamalar için kullanılabilecek cihazlara) dolaşıklığı dahil edebileceğimizi düşünüyorum. jeodezi.”
"Bu çok önemli deneysel ilerlemeyle Thompson ve ekibi, başkalarının bu yeni dolaşık interferometre yaklaşımını kullanarak fizik alanında başka ilerlemelere öncülük edeceğini umuyor. Zaten bildiğimiz tüm ürkütücü şeyleri kontrol altına almayı ve kontrol altına almayı öğrenerek, belki de evren hakkında henüz aklımıza bile gelmeyen yeni ürkütücü şeyler keşfedebiliriz!
Dergi Referans:
- Graham P. Greve ve diğerleri, Yüksek incelikte bir boşlukta Dolaşma ile geliştirilmiş madde dalgası interferometrisi, Tabiat (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05197-9
