Đối với hầu hết mọi người, cơ học lượng tử có vẻ khá kỳ lạ. Hãy áp dụng nguyên tắc định vị, trong đó phát biểu rằng theo một nghĩa nào đó, một hạt lượng tử có thể tồn tại đồng thời ở nhiều vị trí. Sau đó là sự vướng víu: mối liên hệ vô hình giữa các hạt cho phép trạng thái của hạt này xác định trạng thái của hạt khác, thậm chí ở những khoảng cách rất xa. Nhưng dù sự định vị và vướng víu kỳ lạ đến mấy, chúng vẫn có thể rất hữu ích, và các nhà vật lý tại JILA ở Boulder, Colorado, Mỹ lần đầu tiên đã kết hợp cả hai vào một cảm biến lượng tử duy nhất. Cảm biến mới có thể phát hiện gia tốc dưới giới hạn thông thường do nhiễu phát sinh từ biến động lượng tử, cung cấp một công cụ sắc nét hơn để khám phá vật lý cơ bản cũng như cho các ứng dụng như điều hướng và giám sát Trái đất.
Thiết lập thử nghiệm của nhóm JILA sử dụng giao thoa kế sóng vật chất, giao thoa các hạt lượng tử lớn giống như cách giao thoa kế thông thường giao thoa các chùm ánh sáng. Trong khi các giao thoa kế dựa trên ánh sáng có thể rất nhạy – chúng được dùng để phát hiện sóng hấp dẫn – các tương đương sóng vật chất của chúng về nguyên tắc có thể phát hiện những gia tốc thậm chí còn nhỏ hơn vì bước sóng lượng tử của các hạt lớn ngắn hơn nhiều. Do đó, những cảm biến này đưa ra một cách để tìm kiếm các hiện tượng như vật chất tối và năng lượng tối hiện không thể được phát hiện trực tiếp, tuy nhiên điều đó làm cho sự hiện diện của chúng được biết đến thông qua các hiệu ứng hấp dẫn.
Giảm tiếng ồn
Trong thí nghiệm, trước tiên các nguyên tử được đặt bên trong một khoang quang học, đó là một tập hợp các gương đối diện với ánh sáng bị mắc kẹt ở giữa. Ánh sáng phản chiếu giữa những tấm gương này tương tác với các nguyên tử, khiến gần 1000 nguyên tử trong số chúng vướng vào nhau.
Độ nhạy tối đa của cảm biến lượng tử thường bị giới hạn bởi nhiễu tạo ra bởi sự sụp đổ ngẫu nhiên của các trạng thái lượng tử của từng nguyên tử bất cứ khi nào chúng được đo. Các thí nghiệm trước đây đã tìm cách giảm nhiễu lượng tử này bằng cách thực hiện thí nghiệm song song vô số lần với nhiều nguyên tử, sau đó lấy trung bình nhiễu lượng tử của từng nguyên tử riêng lẻ.
Tuy nhiên, trong thí nghiệm của nhóm JILA, các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm hai phương án trong đó các nguyên tử thực sự phối hợp với nhau để triệt tiêu nhiễu lượng tử của nhau. Cách tiếp cận đầu tiên liên quan đến cái gọi là phép đo lượng tử không phá hủy, trong đó các nhà nghiên cứu thực hiện phép đo trước tiếng ồn lượng tử liên quan đến các nguyên tử và sau đó trừ tiếng ồn lượng tử này khỏi phép đo cuối cùng. Trong phương pháp thứ hai, các nhà nghiên cứu đưa ánh sáng vào khoang kích hoạt một quá trình nguyên tử được gọi là xoắn một trục, khiến cho các nguyên tử vướng víu ở các trạng thái chuyển động (hoặc trạng thái động lượng) khác nhau có độ không chắc chắn thấp hơn so với khi các nguyên tử ở trạng thái đó. không vướng víu.
Các trạng thái lượng tử thu được được gọi là trạng thái spin bị nén vì chúng bao gồm hai mức trạng thái động lượng về cơ bản được “ép” lại với nhau để tạo thành một hệ spin hiệu quả. Trong thí nghiệm của đội JILA, những trạng thái spin bị nén này cho phép đo bất kỳ pha lượng tử nào tích lũy giữa các trạng thái động lượng do gia tốc với độ chính xác cao hơn. Trong cả hai phương pháp, do sự vướng víu giữa các nguyên tử, nhiễu lượng tử trở nên tương quan giữa các nguyên tử sao cho nhiễu lượng tử của nguyên tử này bị triệt tiêu bởi nhiễu lượng tử của nguyên tử khác, làm cho cảm biến lượng tử “êm hơn” và do đó chính xác hơn.
Khắp nơi
Trong bước thứ hai của thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã giới thiệu phương pháp định vị. Các tia laser tách các gói sóng của các nguyên tử, từ đó đưa chúng vào trạng thái chồng chất của các trạng thái động lượng khác nhau; khi hai phần của gói sóng di chuyển xa nhau, mỗi nguyên tử về cơ bản ở hai vị trí cùng một lúc. Bằng cách hủy bỏ sự chồng chất này bằng một tia laser khác, các gói sóng của các nguyên tử giao thoa với nhau và mọi ảnh hưởng lên vị trí của chúng – chẳng hạn do rơi dưới tác dụng của trọng lực – sau đó có thể được phát hiện với độ nhạy cực cao. Việc kết hợp thí nghiệm giao thoa này với các phương pháp vướng víu giúp các nhà nghiên cứu có thể phát hiện ra những gia tốc nhỏ hơn giới hạn lượng tử tiêu chuẩn do nhiễu lượng tử của từng nguyên tử đặt ra.
James K Thompson, người đứng đầu nghiên cứu của nhóm cùng với các nghiên cứu sinh Tiến sĩ Chengyi Luo và Graham Greve, nói rằng việc sử dụng trạng thái nén cho cảm biến lượng tử thường được gọi là “lượng tử 2.0”, một phiên bản của cảm biến lượng tử vượt ra ngoài vật lý hạt đơn. Ông đề cập rằng có “một sức mạnh tổng hợp tuyệt vời” nổi lên giữa những tiến bộ trong cảm biến lượng tử và mô phỏng lượng tử, và ông quan tâm đến việc khai thác điều này theo hai cách: bằng cách sử dụng mã hóa trạng thái động lượng của các trạng thái lượng tử để thực hiện mô phỏng lượng tử và bằng cách áp dụng các công cụ của cảm biến lượng tử để đo lường sự tiến hóa của hệ thống nhiều vật thể lượng tử. Ông nói: “Những gì chúng tôi học được sau đó có thể được sử dụng để cải tiến hơn nữa các cảm biến lượng tử.
Tinh thể bẫy ion tạo ra cảm biến lượng tử cực kỳ chính xác
Timothy Kovachy, một nhà vật lý từ Đại học Northwestern ở Mỹ, người không tham gia nghiên cứu, cho biết giới hạn lượng tử tiêu chuẩn có thể là một hạn chế đáng kể đối với độ chính xác của cảm biến lượng tử. Do đó, ông mô tả kết quả này là một bước tiến quan trọng đối với cảm biến lượng tử. Ông cho biết việc kết hợp lực nén spin để vượt qua giới hạn lượng tử tiêu chuẩn là điều cần thiết để các giao thoa kế này đạt được tiềm năng tối đa của chúng và đó là một thành tựu đáng kể để hiện thực hóa lực ép dựa trên khoang cùng với phép đo giao thoa nguyên tử bên trong khoang. Ông cho biết thêm rằng các hộp cộng hưởng còn có thể cung cấp những tính năng có giá trị cho phép đo giao thoa nguyên tử, chẳng hạn như chất lượng chế độ không gian được cải thiện và sự tích tụ năng lượng.
Nghiên cứu được xuất bản trong Thiên nhiên.
