Forscher haben Methoden entwickelt, um eine große Anzahl von Partikeln zu verwickeln und die Präzision und Geschwindigkeit von Quantenmessungen zu verbessern. Diese Fortschritte könnten Quantensensoren und Atomuhren mit potenziellen Anwendungen in der fundamentalen Physikforschung revolutionieren.
Die Jila -Forscher eröffnen neue Möglichkeiten für Quantensensoren, Atomuhren und Tests der grundlegenden Physik und haben neue Wege entwickelt, um die Eigenschaften einer großen Anzahl von Partikeln zu „verwickeln“ oder zu verknüpfen. Dabei haben sie Wege entwickelt, um große Gruppen von Atomen selbst in disruptiven, lauten Umgebungen genauer zu messen.
NaturDie neuen Techniken werden in einem Paar von Papieren beschrieben, die in veröffentlicht wurden.
Jila ist ein gemeinsames Institut des Nationalen Instituts für Standards und Technologie (NIST) und der University of Colorado Boulder.
Die Magie der Verstrickung
Atom"Verstrickung ist der heilige Gral der Messwissenschaft", sagte Ana Maria Rey, ein theoretischer Physiker und ein Jila- und NIST -Stipendiat. "Atome sind die besten Sensoren aller Zeiten. Sie sind universell. Das Problem ist, dass sie Quantenobjekte sind, also sind sie an sich laut. Wenn Sie sie messen, sind sie manchmal in einem Energiezustand, manchmal sind sie in einem anderen Zustand. Wenn Sie sie verwickeln, können Sie es schaffen, das Geräusch abzubrechen."Wenn Atome verwickelt sind, was passiert mit einem
betrifft alle damit verwickelten Atome. Dutzende - noch besser, Hunderte - von verwickelten Atomen, die zusammenarbeiten, reduziert das Rauschen, und das Signal der Messung wird klarer, sicherer. Verrückte Atome reduzieren auch die Anzahl der, die Wissenschaftler benötigen, um ihre Messungen durchzuführen, und erzielen Sie weniger Zeit.
Ein Mittel der Verstrickung ist ein Prozess, der als Spin -Quetschung bezeichnet wird. Wie alle Objekte, die den Regeln der Quantenphysik befolgen, können Atome in mehreren Energiezuständen gleichzeitig existieren, eine Fähigkeit, die als Überlagerung bezeichnet wird. Spin -Drücken reduziert alle möglichen Überlagerungszustände in einem Atom auf nur wenige Möglichkeiten. Es ist, als würde man einen Ballon drücken. Wenn Sie den Ballon drücken, schrumpfen die Mitte und die entgegengesetzten Enden größer. Wenn Atome gepresst werden, kann der Bereich der möglichen Staaten, die sie in einige Richtungen in Verengung sein können, und erweitert sich in anderen.
Überwindung der Distanz in der atomaren Interaktion überwinden
Aber es ist schwieriger, Atome zu verwickeln, die weiter voneinander entfernt sind. Atome haben stärkere Wechselwirkungen mit Atomen, die ihnen am nächsten stehen. Je weiter die Atome entfernt sind, desto schwächer sind ihre Wechselwirkungen.
Denken Sie daran, wie Leute, die auf einer überfüllten Party sprechen. Menschen, die sich gegenseitig am nächsten stehen, können ein Gespräch führen, aber diejenigen im ganzen Raum können sie kaum hören, und die Informationen gehen auf der ganzen Linie ab. Wissenschaftler wollen, dass die ganze Partei von Atomen gleichzeitig miteinander spricht. Physiker auf der ganzen Welt betrachten verschiedene Wege, um diese Verstrickung zu erreichen.
"Ein Hauptziel in der Gemeinde ist es, verschränkte Staaten zu produzieren, um in kürzerer Zeitmessungen mit höherer Präzisionsmessungen zu messen", sagte Adam Kaufman, Physiker und Jila-Stipendiat.
Kaufman und Rey arbeiteten zusammen an Vorschlägen, um diese Verstrickung zu erreichen, von denen eine Rey und ihre Mitarbeiter an der University of Innsbruck in Österreich zeigten.
Grenzen mit Ionenexperimenten überschreiten
In diesem Experiment stellte das Team 51 Kalziumionen in einer Falle ein und verwendete Laser, um Wechselwirkungen zwischen ihnen zu induzieren. Dies liegt daran, dass der Laser Phononen erregt, Schwingungen wie Klangwellen zwischen den Atomen. Diese Phononen verteilten die Atomelinie und verbinden sie miteinander. In früheren Experimenten wurden diese Verbindungen als statisch ausgestattet, sodass ein Ion nur mit einem bestimmten Satz von Ionen sprechen konnte, wenn sie von den Lasern beleuchtet wurden.
Durch Hinzufügen von externen Magnetfeldern war es möglich, die Links im Laufe der Zeit dynamisch, wachsen und verändern. Das bedeutete, dass ein Ion, das zunächst nur mit einer Gruppe von Ionen sprechen konnte, mit einer anderen Gruppe sprechen konnte, und schließlich konnte es mit allen anderen Ionen im Array sprechen. Dies überwindet dieses Distanzproblem, sagt Rey, und die Wechselwirkungen waren bis hin zu Atomen. Jetzt arbeiteten alle Atome zusammen und sie konnten alle miteinander sprechen, ohne die Nachricht auf dem Weg zu verlieren.
Innerhalb kurzer Zeit verwickelten sich die Ionen und bildeten einen Spin-Squeeed-Zustand, aber mit etwas mehr Zeit verwandelten sie sich in einen sogenannten Katzenzustand. Dieser Zustand ist nach Erwin Schrodingers berühmtem Gedankenexperiment über die Überlagerung benannt, in dem er vorschlug, dass eine in einer Schachtel gefangene Katze sowohl lebendig als auch tot ist, bis die Schachtel geöffnet und ihr Zustand beobachtet werden kann. Für Atome ist ein Katzenzustand eine besondere Art von Überlagerung, bei der die Atome gleichzeitig in zwei diametral entgegengesetzten Zuständen wie oben und unten sind. Katzenstaaten sind sehr verwickelt, weist Rey darauf hin, was sie besonders für die Messwissenschaft hervorragend macht.
Zukünftige Anweisungen und optische Uhrenverbesserung
Der nächste Schritt wird darin bestehen, diese Technik mit einer zweidimensionalen Reihe von Atomen auszuprobieren und die Anzahl der Atome zu erhöhen, um zu verbessern, wie lange sie in diesen verwickelten Zuständen bleiben können. Darüber hinaus könnte es möglicherweise Wissenschaftler Messungen genauer und viel schneller machen lassen.Natur
Spin-Squeezing-Verstrickung könnte auch den optischen Atomuhren zugute kommen, was ein wichtiges Instrument der Messwissenschaft ist. Kaufman und seine Gruppe bei Jila sowie Mitarbeiter der Gruppe von NIST/Jila Colleague Jun Ye haben in einer anderen Studie in dieser Ausgabe eine andere Methode getestet
.
Die Forscher luden 140 Strontiumatome in ein optisches Gitter, eine einzelne Lichtebene, um die Atome zu halten. Sie verwendeten fein kontrollierte Lichtstrahlen, die als optische Pinzette bezeichnet werden, um die Atome in kleine Untergruppen von jeweils 16 bis 70 Atomen zu legen. Mit einem ultravioletten Hochleistungslaser erregten sie die Atome zu einer Überlagerung ihres üblichen „Uhr“ -Saats und eines höherenergetischen Rydberg-Staates. Diese Technik heißt Rydberg Dressing.
Die Clock State Atome sind wie die ruhigen Menschen auf der überfüllten Partei; Sie interagieren nicht stark mit anderen. Für Atome im Rydberg -Zustand ist das äußerste Elektron jedoch so weit vom Zentrum des Atoms entfernt, dass das Atom effektiv sehr groß ist und es es ermöglicht, stärker mit den anderen Atomen zu interagieren.
Jetzt spricht die ganze Party. Mit dieser Spin-Squeezing-Technik können sie über das gesamte Array von 70 Atomen verstrichen.
Schnellere, genauere Messungen ermöglichen es diesen Uhren, bessere Sensoren zu suchen, um nach dunkler Materie zu suchen und bessere Zeit- und Frequenzmessungen zu erzeugen.Verschränkung erhöhte Sensing Paves Way für fortschrittliche Quantensensoren
Weitere Informationen zu dieser Forschung finden Sie unter
- Natur.Zwei: 10.1038/S41586-023-06472-Z
Referenzen: - Natur"Quantenverstärkte Erkennung bei optischen Übergängen durch Finite-Range-Interaktionen" von Johannes Franke, Sean R. Muleady, Raphael KaubrUegger, Florian Kranzl, Rainer Blatt, Ana Maria Rey, Manoj K. Joshi und Christian F. Roos, 30. August 2023,,Zwei: 10.1038/s41586-023-06360-6
.
.
