Атомные часы превосходят фундаментальные пределы точности благодаря квантовой запутанности

Прорыв JILA в оптических атомных часах использует квантовую запутанность, чтобы превзойти фундаментальные пределы точности, устанавливая новый стандарт в хронометражах и открывая возможности для научных открытий.

Исторически сложилось так, что JILA (совместный институт, созданный Национальным институтом стандартов и технологий (NIST) и Университетом Колорадо в Боулдере) был мировым лидером в области точного измерения времени с использованием оптических атомных часов. Эти часы используют внутренние свойства атомов для измерения времени с беспрецедентной точностью и точностьчто представляет собой значительный скачок в наших поисках количественной оценки самого неуловимого измерения: времени.

Однако точность этих часов имеет фундаментальные ограничения, в том числе «минимальный уровень шума», на который влияет «квантовый проекционный шум» (QPN). «Это происходит из спиновой статистики отдельных кубитов, истинно квантовой природы исследуемых атомов», — пояснила аспирантка JILA Майя Миклос. Современные сравнения часов, подобные тем, которые проводятся научным сотрудником JILA и NIST и профессором физики Университета Колорадо в Боулдере Джун Йе, все ближе приближаются к этому фундаментальному пределу минимального уровня шума. Однако это ограничение можно обойти, создав квантовую запутанность в атомных образцах, повысив их стабильность.

Теперь команда Йе в сотрудничестве с JILA и научным сотрудником NIST Джеймсом К. Томпсоном использовала особый процесс, известный как сжатие спина, для создания квантовой запутанности, что привело к улучшению тактовой производительности, работающей на уровне стабильности 10-17. Их новая экспериментальная установка, опубликованная в Физика природытакже позволило исследователям напрямую сравнить два независимых спин-сжатых ансамбля, чтобы понять этот уровень точности измерения времени, уровень, никогда ранее не достигаемый с помощью спин-сжатых оптических решеточных часов.

Разработка усовершенствованных оптических атомных часов имеет далеко идущие последствия. Помимо измерения времени, они обладают потенциальными преимуществами для использования в различных научных исследованиях, включая проверку фундаментальных принципов физики, улучшение навигационных технологий и, возможно, участие в обнаружении гравитационные волны. «Повышение производительности оптических часов до и за пределами фундаментальных ограничений, налагаемых природой, уже является интересным научным занятием», — объяснил аспирант JILA Джон Робинсон, первый автор статьи. «Если задуматься о том, какую физику можно раскрыть с помощью улучшенной чувствительности, то на будущее рисуется очень интересная картина».

Шумный ансамбль атомов

Оптические атомные часы функционируют не через шестерни и маятники, а через оркестрованные ритмы между атомами и возбуждающим лазером.

QPN представляет собой фундаментальное препятствие для точности этих часов. Это явление возникает из-за присущей квантовым системам неопределенности. В контексте оптических атомных часов QPN проявляется как едва заметное, но повсеместное нарушение, похожее на фоновый шум, который может затруднить четкость измерения времени.

«Поскольку каждый раз, когда вы измеряете квантовое состояние, оно проецируется на дискретный энергетический уровень, шум, связанный с этими измерениями, выглядит как подбрасывание пачки монет и подсчет того, выпадут ли они в виде орла или решки», — сказал Миклос. «Итак, вы получаете масштабирование по закону больших чисел, при котором точность ваших измерений увеличивается пропорционально квадратному корню из N, вашему атом число. Чем больше атомов вы добавите, тем лучше будут стабильность ваших часов. Однако этому есть пределы, потому что после определенных плотностей у вас могут возникнуть зависящие от плотности сдвиги взаимодействия, которые ухудшают стабильность ваших часов».

Существуют также практические ограничения на достижимое количество атомов в часах. Однако запутанность можно использовать как квантовый ресурс, позволяющий обойти этот проекционный шум. Миклош добавил: «Этот квадратный корень из N-масштабирования справедлив, если эти частицы некоррелированы. Если вы сможете создать запутанность в своем образце, вы сможете достичь оптимального масштабирования, которое вместо этого увеличивается с увеличением N».

Чтобы решить проблему, связанную с QPN, исследователи применили метод, известный как спиновое сжатие. В этом процессе квантовые состояния атомов деликатно корректируются. Хотя неопределенности квантовых измерений всегда подчиняются принципу неопределенности Гейзенберга, эти спины «сжимаются» посредством точных вмешательств, уменьшающих неопределенность в одном направлении и увеличивающих ее в другом.

Реализация сжатия спина в оптических часах является относительно новым достижением, но столь же запутанные ресурсы, такие как сжатый свет, использовались и в других областях. «ЛИГО [The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory] уже использовали сжатие вакуумных состояний для улучшения измерений длин интерферометров для обнаружения гравитационных волн», — объяснил аспирант JILA Йи Минг Цо.

Создание квантового «лифта»

Чтобы добиться сжатия спина, команда создала новую лабораторную установку, состоящую из вертикальной одномерной движущейся решетки, пересекающейся с оптическим резонатором (резонатором, состоящим из двух зеркал) в горизонтальном направлении. Исследователи использовали лазерные лучи решетки, чтобы перемещать ансамбли атомов вверх и вниз по всей решетке, как в лифте, при этом некоторые группы атомов или подансамбли попадали в полость.

Этот проект был вдохновлен недавним сотрудничеством между исследовательской группой Ye и научным сотрудником JILA Адамом Кауфманом, который также исследовал спин-сжатие в других лабораторных установках.
«До этого момента сжатие спина в оптических часах применялось только в экспериментальных экспериментах, где шум часового лазера затенял сигнал», — сказал Робинсон. «Мы хотели напрямую наблюдать положительное влияние спин-сжатия, и поэтому мы превратили оптическую решетку в этот лифт, чтобы мы могли независимо спин-сжатия и сравнения нескольких подансамблей и, таким образом, устранить негативное влияние лазерные часы». Эта установка также позволила исследователям показать, что квантовая запутанность сохранилась во время транспортировки этих атомных субансамблей.

Используя оптический резонатор, исследователи манипулировали атомами, формируя сжатые по спину запутанные состояния. Это было достигнуто путем измерения коллективных свойств атомов так называемым методом «квантового неразрушения» (QND). QND измеряет свойство квантовой системы так, чтобы измерение не нарушало это свойство. Два повторных измерения QND демонстрируют один и тот же квантовый шум, и, приняв разницу, можно насладиться подавлением квантового шума.

В системе, связанной атом-полость, взаимодействие между светом, зондирующим оптический резонатор, и атомами, расположенными в полости, позволило исследователям спроецировать атомы в сжатое по спину состояние с уменьшенным влиянием неопределенности QPN. Затем исследователи использовали решетку, похожую на лифт, чтобы переместить независимую группу атомов в полость, сформировав второй спин-сжатый ансамбль в том же экспериментальном аппарате.

Сравнение часов с часами

Ключевым нововведением в этом исследовании было прямое сравнение двух атомных подансамблей. Благодаря вертикальной решетке исследователи могли переключать атомные субансамбли, находящиеся в полости, напрямую сравнивая их характеристики, поочередно измеряя время, указанное каждым спин-сжатым субансамблом.

«Сначала мы выполнили классическое сравнение часов двух атомных подансамблей без сжатия спина», — пояснил Цо. «Затем мы сжали оба подансамбля и сравнили производительность двух часов со спиновым сжатием. В конце концов, мы пришли к выводу, что пара часов со сжатием спина работает лучше, чем пара классических часов с точки зрения стабильности, улучшение примерно на 1,9 дБ. [~25% improvement]. Это вполне приличный первый результат нашей экспериментальной установки».

Это повышение стабильности сохранялось даже тогда, когда производительность тактовых импульсов в среднем снизилась до уровня стабильности частоты 10-17 дробных, нового эталона для производительности тактовых импульсов на оптической решетке со сжатием спина. «За одно поколение этого эксперимента мы примерно наполовину сократили разрыв между стабильностью лучших часов со спин-сжатием и лучших классических часов для точных измерений», — пояснил Миклос, который вместе с остальной командой надеется еще больше улучшите это значение.

Исследование за пределами хронометража

Благодаря сравнению двойного ансамбля эта экспериментальная установка знаменует собой значительный шаг на пути к использованию квантовой механики для практических и теоретических достижений, в том числе в таких разнообразных областях, как переход к фундаментальной физике, обеспечение возможности проверки гравитационных теорий и содействие поиску новой физики. Миклош, Цо и остальные члены команды надеются, что их новая установка позволит им глубже погрузиться в основы гравитации.

«Точные измерения гравитационного красного смещения, которые недавно были выполнены в нашей лаборатории, — это то, что мы хотели бы изучить в дальнейшем, используя эту экспериментальную схему», — добавил Миклош. «Надеюсь, это сможет рассказать нам больше о Вселенной, в которой мы живем».

Ссылка: «Прямое сравнение двух ансамблей оптических часов со сжатием спина на уровне 10–17», авторы Джон М. Робинсон, Майя Миклос, Йи Минг Цо, Колин Дж. Кеннеди, Тобиас Ботвелл, Друв Кедар, Джеймс К. Томпсон и Джун. Да, 11 января 2024 г., Физика природы.
DOI: 10.1038/s41567-023-02310-1

Это исследование частично финансировалось Национальным исследовательским центром квантовой информатики Министерства энергетики США – Ускорителем квантовых систем, Управлением научных исследований ВВС США. ДАРПАстипендия факультета Ванневара Буша, Национальный институт стандартов и технологий (NIST) и Национальный научный фонд.