Атомные часы более высокой точности, такие как изображенные здесь «часы с пинцетом», могут возникнуть в результате соединения или «запутывания» атомов новым способом с помощью метода, известного как «спиновое сжатие», при котором одно свойство атома измеряется более точно, чем обычно допускается в квантовой механике за счет уменьшения точности измерения дополнительного свойства. Фото: Стивен Берроуз и Rey Group/JILA
Исследователи разработали методы, позволяющие запутывать большое количество частиц, повышая точность и скорость квантовых измерений. Эти достижения могут произвести революцию в квантовых датчиках и атомных часах и иметь потенциальное применение в исследованиях фундаментальной физики.
Открывая новые возможности для квантовых датчиков, атомных часов и тестов фундаментальной физики, исследователи JILA разработали новые способы «запутывания» или связывания свойств большого количества частиц. В процессе они разработали способы более точного измерения больших групп атомов даже в мешающих и шумных условиях.
Новые методы описаны в двух статьях, опубликованных в журнале Природа.[1] JILA — это совместный институт Национального института стандартов и технологий (NIST) и Университета Колорадо в Боулдере.
Магия запутанности
«Запутанность — это Святой Грааль науки об измерениях», — сказала Ана Мария Рей, физик-теоретик и научный сотрудник JILA и NIST. «Атомы — лучшие сенсоры на свете. Они универсальны. Проблема в том, что это квантовые объекты, поэтому они по своей природе шумны. Когда вы их измеряете, иногда они находятся в одном энергетическом состоянии, иногда в другом. Когда вы их запутаете, вам удастся подавить шум».
Что происходит с одним из атомов, когда они запутаны? атом воздействует на все запутанные с ним атомы. Совместная работа десятков – а еще лучше сотен – запутанных атомов снижает шум, а сигнал измерения становится более четким и достоверным. Запутанные атомы также сокращают количество раз, когда ученым приходится проводить измерения, получая результаты за меньшее время.
Одним из способов запутывания является процесс, называемый спиновым сжатием. Как и все объекты, подчиняющиеся правилам квантовой физики, атомы могут существовать одновременно в нескольких энергетических состояниях — способность, известная как суперпозиция. Спиновое сжатие сводит все возможные состояния суперпозиции в атоме к нескольким возможностям. Это как сжимать воздушный шарик. Когда вы сжимаете шарик, середина сжимается, а противоположные концы становятся больше. Когда атомы сжаты по спину, диапазон возможных состояний, в которых они могут находиться, сужается в одних направлениях и расширяется в других.
Преодоление расстояния во взаимодействии атомов
Но сложнее запутать атомы, находящиеся дальше друг от друга. Атомы имеют более сильные взаимодействия с ближайшими к ним атомами; чем дальше атомы, тем слабее их взаимодействия.
Думайте об этом, как о людях, разговаривающих на многолюдной вечеринке. Люди, находящиеся ближе всего друг к другу, могут разговаривать, но те, кто находится в другой части комнаты, их едва слышат, и информация теряется в дальнейшем. Ученые хотят, чтобы вся группа атомов разговаривала друг с другом одновременно. Физики всего мира ищут разные способы достижения этой запутанности.
«Основная цель сообщества — создавать запутанные состояния для получения более точных измерений за более короткий промежуток времени», — сказал Адам Кауфман, физик и научный сотрудник JILA.
Кауфман и Рей вместе работали над предложениями по достижению этой запутанности, одно из которых продемонстрировали Рей и ее коллеги из Университета Инсбрука в Австрии.
Раздвигая границы с помощью ионных экспериментов
В этом эксперименте команда собрала 51 ион кальция в ловушку и использовала лазеры, чтобы вызвать взаимодействие между ними. Это потому, что лазер возбуждает фононы, вибрации, подобные звуковым волнам между атомами. Эти фононы распространяются по цепочке атомов, связывая их вместе. В предыдущих экспериментах эти связи были спроектированы как статичные, поэтому ион мог общаться с определенным набором ионов только при освещении лазерами.
Добавив внешние магнитные поля, удалось сделать связи динамичными, растущими и изменяющимися со временем. Это означало, что ион, который мог общаться только с одной группой ионов, сначала мог общаться с другой группой, и в конечном итоге он мог общаться со всеми другими ионами в массиве. По словам Рей, это решает проблему расстояния, и взаимодействия были сильными на всем протяжении линии атомов. Теперь все атомы работали вместе и могли общаться друг с другом, не теряя при этом послания.
За короткий промежуток времени ионы запутались, образовав спин-сжатое состояние, но еще через некоторое время они перешли в так называемое кошачье состояние. Это состояние названо в честь знаменитого мысленного эксперимента Эрвина Шредингера о суперпозиции, в котором он предположил, что кошка, запертая в коробке, одновременно жива и мертва, пока коробка не будет открыта и можно будет наблюдать ее состояние. Для атомов состояние кошки — это особый вид суперпозиции, в которой атомы одновременно находятся в двух диаметрально противоположных состояниях, например, вверху и внизу. Состояния кошек сильно запутаны, отмечает Рей, что делает их особенно полезными для науки об измерениях.
Будущие направления и усовершенствование оптических часов
Следующим шагом будет опробовать эту технику с двумерным массивом атомов, увеличив количество атомов, чтобы улучшить продолжительность их пребывания в этих запутанных состояниях. Кроме того, потенциально это может позволить ученым проводить измерения точнее и быстрее.
Запутывание, сжимающее спин, также может принести пользу оптическим атомным часам, которые являются важным научным инструментом измерения. Кауфман и его группа из JILA вместе с коллегами из группы коллеги из NIST/JILA Джун Йе протестировали другой метод в другом исследовании, опубликованном в этом выпуске журнала. Природа.[2]
Исследователи поместили 140 атомов стронция в оптическую решетку — единую световую плоскость, удерживающую атомы. Они использовали точно контролируемые лучи света, называемые оптическими пинцетами, чтобы поместить атомы в небольшие подгруппы по 16–70 атомов в каждой. С помощью мощного ультрафиолетового лазера они перевели атомы в суперпозицию их обычного «часового» состояния и ридберговского состояния с более высокой энергией. Этот прием называется повязкой Ридберга.
Атомы состояния часов подобны тихим людям на многолюдной вечеринке; они не сильно взаимодействуют с другими. Но для атомов в ридберговском состоянии самый внешний электрон находится настолько далеко от центра атома, что атом фактически имеет очень большой размер, что позволяет ему более сильно взаимодействовать с другими атомами.
Теперь вся компания говорит. С помощью этой техники сжатия спина они могут создать запутанность во всем массиве из 70 атомов.
Исследователи сравнили измерения частоты между группами из 70 атомов и обнаружили, что эта запутанность повышает точность ниже предела для незапутанных частиц, известного как стандартный квантовый предел.
Более быстрые и точные измерения позволят этим часам стать лучшими датчиками для поиска темной материи и более точными измерениями времени и частоты.
Дополнительную информацию об этом исследовании см. в разделе «Усовершенствованное обнаружение запутывания открывает путь для усовершенствованных квантовых датчиков».
Использованная литература:
- «Квантовое зондирование оптических переходов посредством взаимодействий конечного радиуса действия», Йоханнес Франке, Шон Р. Муледи, Рафаэль Каубрюггер, Флориан Кранцль, Райнер Блатт, Ана Мария Рей, Манодж К. Джоши и Кристиан Ф. Роос, 30 августа 2023 г., Природа.
DOI: 10.1038/s41586-023-06472-z - «Реализация спинового сжатия с помощью ридберговских взаимодействий в оптических часах», Уильям Дж. Экнер, Нельсон Дарква Оппонг, Алек Као, Аарон В. Янг, Уильям Р. Милнер, Джон М. Робинсон, Джун Йе и Адам М. Кауфман, 30 августа 2023, Природа.
DOI: 10.1038/s41586-023-06360-6