Để tạo ra một cảm biến lượng tử hiệu quả hơn, lần đầu tiên một nhóm các nhà nghiên cứu tại JILA đã hợp nhất hai khía cạnh “ma quái nhất” của cơ học lượng tử: sự vướng víu giữa các nguyên tử và sự định vị của các nguyên tử.
Sự vướng víu là hiệu ứng kỳ lạ của cơ lượng tử trong đó những gì xảy ra với một nguyên tử bằng cách nào đó ảnh hưởng đến một nguyên tử khác ở một nơi khác. Một khía cạnh khá ma quái thứ hai của cơ học lượng tử là sự phi định xứ, thực tế là một nguyên tử đơn lẻ có thể đồng thời ở nhiều nơi.
Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã kết hợp sự ma quái của cả hai sự vướng víu và định vị lại để tạo ra một giao thoa kế sóng vật chất có thể cảm nhận gia tốc với độ chính xác vượt qua giới hạn lượng tử tiêu chuẩn. Tương lai cảm biến lượng tử sẽ có thể cung cấp điều hướng chính xác hơn, tìm kiếm các tài nguyên thiên nhiên cần thiết, xác định các hằng số cơ bản như cấu trúc mịn và hằng số hấp dẫn chính xác hơn, tìm kiếm vật chất tối chính xác hơn, và thậm chí có thể phát hiện sóng hấp dẫn một ngày nào đó bằng cách tăng cường sự ma quái.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng ánh sáng dội lại giữa các gương, được gọi là hốc quang học, để tạo ra hiện tượng vướng víu. Điều này cho phép thông tin nhảy giữa các nguyên tử và đan chúng vào trạng thái vướng víu. Sử dụng kỹ thuật dựa trên ánh sáng đặc biệt này, họ đã tạo ra và quan sát một số trạng thái vướng víu dày đặc nhất từng được tạo ra trong bất kỳ hệ thống nào, có thể là trạng thái nguyên tử, quang tử hoặc trạng thái rắn. Sử dụng kỹ thuật này, nhóm đã thiết kế hai phương pháp thử nghiệm riêng biệt mà họ đã sử dụng trong công việc gần đây của mình.
Trong phương pháp đầu tiên, còn được gọi là phép đo không phá hủy lượng tử, họ đo trước nhiễu lượng tử liên kết với các nguyên tử của chúng và sau đó loại phép đo đó ra khỏi phương trình. Các nhiễu lượng tử của mỗi nguyên tử trở nên tương quan với nhiễu lượng tử của tất cả các nguyên tử khác bằng một quá trình gọi là xoắn một trục trong phương pháp thứ hai, trong đó ánh sáng được đưa vào khoang. Điều này cho phép các nguyên tử làm việc cùng nhau để trở nên yên tĩnh hơn.
Thành viên JILA và NIST James K. Thompson cho biết, “Các nguyên tử giống như những đứa trẻ bắt nhau im lặng để chúng có thể nghe về bữa tiệc mà giáo viên đã hứa với chúng, nhưng ở đây, chính sự vướng víu mới là thứ gây ra sự im lặng.”
Giao thoa kế sóng vật chất
Giao thoa kế sóng vật chất là một trong những cảm biến lượng tử tinh vi và chính xác nhất hiện nay.
Sinh viên tốt nghiệp Chengyi Luo giải thích, “Ý tưởng là người ta sử dụng các xung ánh sáng để làm cho các nguyên tử chuyển động đồng thời và không chuyển động bằng cách vừa hấp thụ vừa không hấp thụ. tia laser ánh sáng. Điều này làm cho các nguyên tử theo thời gian đồng thời ở hai vị trí khác nhau cùng một lúc.”
“Chúng tôi chiếu chùm tia laze vào các nguyên tử, vì vậy chúng tôi chia gói sóng lượng tử của mỗi nguyên tử thành hai, nói cách khác, hạt tồn tại đồng thời trong hai không gian riêng biệt.”
Các xung ánh sáng laze sau đó đảo ngược quá trình, đưa các gói sóng lượng tử trở lại với nhau, cho phép bất kỳ thay đổi nào trong môi trường, chẳng hạn như gia tốc hoặc chuyển động quay, được cảm nhận bằng sự giao thoa lớn có thể đo được giữa hai thành phần của gói sóng nguyên tử, giống như được thực hiện với trường ánh sáng trong các giao thoa kế thông thường, nhưng ở đây với sóng de Broglie, hay sóng làm từ vật chất.
Nhóm nghiên cứu đã xác định cách làm cho nó hoạt động bên trong khoang quang học với các gương phản chiếu cao. Họ có thể đo khoảng cách các nguyên tử rơi dọc theo khoang định hướng thẳng đứng do lực hấp dẫn trong một phiên bản lượng tử của thí nghiệm hấp dẫn của Galileo khi thả các vật phẩm từ Tháp nghiêng Pisa, nhưng với tất cả các lợi ích về độ chính xác và độ chính xác đến từ cơ học lượng tử.
Nhóm nghiên cứu sinh do Chengyi Luo và Graham Greve dẫn đầu sau đó đã có thể sử dụng sự vướng víu do tương tác vật chất nhẹ để tạo ra một giao thoa kế sóng vật chất bên trong một hốc quang học nhằm phát hiện gia tốc do trọng lực một cách lặng lẽ và chính xác hơn. Đây là trường hợp đầu tiên trong đó một giao thoa kế sóng vật chất đã được quan sát thấy ở mức độ chính xác vượt quá giới hạn lượng tử điển hình do nhiễu lượng tử của các nguyên tử không rối gây ra.
Thompson nói, “Nhờ độ chính xác được nâng cao, các nhà nghiên cứu như Luo và Thompson nhận thấy nhiều lợi ích trong tương lai khi sử dụng sự vướng víu làm tài nguyên trong các cảm biến lượng tử. Tôi nghĩ rằng một ngày nào đó chúng ta sẽ có thể đưa hiện tượng vướng víu vào các giao thoa kế sóng vật chất để phát hiện sóng hấp dẫn trong không gian hoặc tìm kiếm vật chất tối—những thứ thăm dò vật lý cơ bản, cũng như các thiết bị có thể được sử dụng cho các ứng dụng hàng ngày như điều hướng hoặc trắc địa.”
“Với tiến bộ thử nghiệm quan trọng này, Thompson và nhóm của ông hy vọng rằng những người khác sẽ sử dụng phương pháp giao thoa kế vướng víu mới này để dẫn đến những tiến bộ khác trong lĩnh vực vật lý. Bằng cách học cách khai thác và kiểm soát tất cả sự ma quái mà chúng ta đã biết, có lẽ chúng ta có thể khám phá ra những điều ma quái mới về vũ trụ mà chúng ta chưa từng nghĩ tới!”
Tạp chí tham khảo:
- Graham P. Greve và cộng sự, phép đo giao thoa sóng vật chất tăng cường vướng víu trong khoang có độ tinh xảo cao, Thiên nhiên (Năm 2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05197-9
