Щоб створити більш ефективний квантовий датчик, команда дослідників з JILA вперше об’єднала два «найстрашніших» аспекти квантової механіки: заплутаність між атомами та делокалізацію атомів.
Заплутаність — це дивний ефект квантова механіка в якому те, що відбувається з одним атомом, якимось чином впливає на інший атом десь в іншому місці. Другим досить моторошним аспектом квантової механіки є делокалізація, той факт, що один атом може одночасно перебувати в кількох місцях.
У цьому дослідженні дослідники поєднали моторошність обох заплутаність і делокалізація для створення інтерферометра матерія-хвиля, який може відчувати прискорення з точністю, що перевищує стандартну квантову межу. майбутнє квантові датчики зможе забезпечити більш точну навігацію, шукати необхідні природні ресурси, точніше визначати фундаментальні константи, такі як тонка структура та гравітаційні константи, шукати темну матерію точніше, а можливо, навіть виявити гравітаційні хвилі одного дня, посиливши моторошність.
Дослідники використовували світло, що відбивається між дзеркалами, яке називається оптичною порожниною, для заплутування. Це дозволяло інформації перескакувати між атомами та зводити їх у заплутаний стан. Використовуючи цю спеціальну техніку, засновану на світлі, вони створили та спостерігали деякі з найбільш щільно заплутаних станів, які будь-коли створювалися в будь-якій системі, будь то атомна, фотонна чи твердотільна. Використовуючи цю техніку, група розробила два різних експериментальних підходи, які вони використали у своїй останній роботі.
У першому методі, також відомому як квантове вимірювання без руйнування, вони попередньо вимірюють квантовий шум, пов’язаний з їхніми атомами, а потім вилучають це вимірювання з рівняння. The квантовий шум кожного атома стає корельованим із квантовим шумом усіх інших атомів за допомогою процесу, відомого як скручування однієї осі у другому методі, де світло вводиться в порожнину. Це дозволяє атомам працювати разом, щоб стати тихішими.
Джеймс К. Томпсон, співробітник JILA та NIST, сказав: «Атоми схожі на дітей, які змушують один одного мовчати, щоб вони могли почути про вечірку, яку їм обіцяв учитель, але тут мовчить заплутаність».
Речовина-хвильовий інтерферометр
Матеріально-хвильовий інтерферометр є одним із найбільш точних і точних квантових датчиків сьогодні.
Аспірант Ченьї Луо пояснив, «Ідея полягає в тому, що за допомогою імпульсів світла атоми рухаються і не рухаються одночасно, поглинаючи і не поглинаючи лазер світло. Це призводить до того, що атоми з часом одночасно перебувають у двох різних місцях».
«Ми спрямовуємо лазерні промені на атоми, тому ми розділяємо квантовий хвильовий пакет кожного атома на дві частини, іншими словами, частинка існує в двох окремих просторах одночасно».
Пізніші імпульси лазерного світла змінюють процес, повертаючи квантові хвильові пакети разом, дозволяючи відчути будь-які зміни в навколишньому середовищі, такі як прискорення або обертання, за допомогою вимірювано великої інтерференції між двома компонентами атомного хвильового пакету, подібно до це робиться за допомогою світлових полів у звичайних інтерферометрах, але тут за допомогою хвиль де Бройля, або хвиль, створених речовиною.
Дослідницька група визначила, як змусити це працювати всередині оптичної порожнини з дзеркалами з високим ступенем відбиття. Вони могли виміряти, як далеко атоми впали вздовж вертикально орієнтованої порожнини через вага у квантовій версії гравітаційного експерименту Галілея, скидаючи предмети з Пізанської вежі, але з усіма перевагами точності та точності, які приносить квантова механіка.
Потім група аспірантів на чолі з Ченгі Луо та Гремом Гревом змогла використати сплутаність, створену взаємодія світло-речовина створити інтерферометр матерія-хвиля всередині оптичної порожнини, щоб тихіше й точніше виявляти прискорення сили тяжіння. Це перший випадок, коли інтерферометр матерія-хвиля спостерігався з рівнем точності, що перевищує типову квантову межу, накладену квантовим шумом розплутаних атомів.
Thompson сказав, «Завдяки підвищеній точності такі дослідники, як Луо та Томпсон, бачать багато майбутніх переваг у використанні заплутаності як ресурсу в квантових датчиках. Я думаю, що одного дня ми зможемо впровадити заплутаність в інтерферометри матерія-хвиля для виявлення гравітаційних хвиль у космосі або для пошуку темної матерії — речі, які досліджують фундаментальну фізику, а також пристрої, які можна використовувати для повсякденних завдань, таких як навігація чи геодезія».
«Завдяки цьому важливому експериментальному прогресу Томпсон і його команда сподіваються, що інші використовуватимуть цей новий підхід заплутаного інтерферометра, щоб привести до інших досягнень у галузі фізики. Навчившись використовувати та контролювати всі моторошні речі, про які ми вже знаємо, можливо, ми зможемо відкрити нові моторошні речі у Всесвіті, про які ми ще навіть не думали!»
Довідка з журналу:
- Грехем П. Греве та ін., Інтерферометрія матерії та хвилі з посиленням заплутування у високотонкому резонаторі, природа (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05197-9
