Het openen van nieuwe mogelijkheden voor kwantumsensoren, atoomklokken en tests van de fundamentele natuurkunde, hebben JILA-onderzoekers nieuwe manieren ontwikkeld om de eigenschappen van grote aantallen deeltjes te ‘verstrengelen’ of te articuleren. Daarbij ontwikkelden ze manieren om grote groepen atomen nauwkeuriger te meten, zelfs in storende en lawaaierige omgevingen.
Atoomklokken met een hogere nauwkeurigheid, zoals de hier getoonde ‘klemklok’, zouden het resultaat kunnen zijn van het op een nieuwe manier verbinden of ‘verstrengelen’ van atomen via een methode die bekend staat als ‘’spincompressie’’, waarbij een eigenschap van een atoom nauwkeuriger wordt gemeten. dan die van een atoom. wordt in de kwantummechanica over het algemeen toegestaan door de nauwkeurigheid waarmee een complementaire eigenschap wordt gemeten te verminderen. Afbeelding tegoed: S. Burrows/JILA
De nieuwe technieken worden beschreven in twee artikelen gepubliceerd in Natuur. JILA is een gezamenlijk instituut van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en de University of Colorado Boulder.
“Verstrengeling is de heilige graal van de meetwetenschap”, zegt Ana Maria Rey, theoretisch natuurkundige en JILA- en NIST-fellow.
“Atomen zijn de beste sensoren die er zijn. Ze zijn universeel. Het probleem is dat het kwantumobjecten zijn en daarom intrinsiek luidruchtig. Als je ze meet, bevinden ze zich soms in de ene energietoestand, soms in een andere energietoestand. Wanneer je ze verstrikt, slaag je erin het geluid te onderdrukken.
Wanneer atomen verstrengeld zijn, heeft wat er met één atoom gebeurt gevolgen voor alle atomen die ermee verstrengeld zijn. Het feit dat tientallen, zelfs honderden, verstrengelde atomen samenwerken, vermindert de ruis en het meetsignaal wordt helderder en betrouwbaarder. Verstrengelde atomen verminderen ook het aantal keren dat wetenschappers hun metingen moeten doen, waardoor ze in minder tijd resultaten verkrijgen.
Spintronica – artistiek concept. Afbeelding tegoed: Creativity103 via FlickrCCPAR 2.0
Eén manier om te verstrikken is door een proces te gebruiken dat spin-squeezing wordt genoemd. Zoals alle objecten die aan de regels van de kwantumfysica voldoen, kunnen atomen in meerdere energietoestanden tegelijk bestaan, een vermogen dat bekend staat als superpositie. Spincompressie reduceert al deze mogelijke superpositietoestanden in een atoom tot slechts een paar mogelijkheden. Het is alsof je in een ballon knijpt.
Wanneer je in de bal knijpt, krimpt het midden en worden de tegenoverliggende uiteinden groter. Wanneer de spin van atomen wordt gecomprimeerd, wordt het bereik van mogelijke toestanden waarin ze zich kunnen bevinden in sommige richtingen smaller en in andere groter.
Maar het is moeilijker om atomen verder van elkaar te verstrengelen. Atomen hebben sterkere interacties met de atomen die het dichtst bij hen staan; hoe verder de atomen uit elkaar liggen, hoe zwakker hun interacties.
Kwantumfysica, zee van excitonen – artistieke interpretatie. Beeldcredits: Sigmund via Unsplash, gratis licentie
Zie het als mensen die aan het kletsen zijn op een druk feest. De mensen die het dichtst bij elkaar staan, kunnen een gesprek voeren, maar de mensen aan de andere kant van de kamer kunnen ze nauwelijks horen, en informatie gaat na verloop van tijd verloren. Wetenschappers willen dat alle atomen tegelijkertijd met elkaar praten. Natuurkundigen over de hele wereld bestuderen verschillende manieren om deze verstrengeling te bereiken.
“Een belangrijk doel van de gemeenschap is het produceren van verstrengelde toestanden om in een kortere tijd metingen met hogere nauwkeurigheid te bereiken”, zegt Adam Kaufman, natuurkundige en JILA-lid.
Kaufman en Rey werkten samen aan voorstellen om deze verstrengeling te bewerkstelligen, waarvan er één was Rey en zijn collega’s van de Universiteit van Innsbruck in Oostenrijk demonstreerden dit.
In dit experiment plaatste het team 51 calciumionen in een val en gebruikte lasers om interacties tussen hen te induceren. In feite wekt de laser fononen op, trillingen die een beetje lijken op geluidsgolven tussen atomen.
Deze fononen planten zich voort langs de lijn van atomen en verbinden ze met elkaar. In eerdere experimenten waren deze bindingen ontworpen om statisch te zijn, zodat een ion alleen kon communiceren met een specifieke reeks ionen als het werd belicht door de lasers.
Kwantumtoestanden, kwantumfysica – artistieke interpretatie. Beeldcredits: Ben Wicks via Unsplash, gratis licentie
Door externe magnetische velden toe te voegen, was het mogelijk om de verbindingen dynamisch te maken, te laten groeien en evolueren in de loop van de tijd. Dit betekende dat een ion dat aanvankelijk met slechts één groep ionen kon praten, met een andere groep kon praten, en uiteindelijk in staat was om met alle andere ionen in het netwerk te praten.
Dit lost dit afstandsprobleem op, zegt Rey, en de interacties waren sterk langs de hele atomenlijn. Nu werkten alle atomen samen en konden ze allemaal met elkaar communiceren zonder onderweg de boodschap te verliezen.
In korte tijd raakten de ionen verstrengeld en vormden ze een draaiende toestand, maar na iets meer tijd veranderden ze in wat een kattentoestand wordt genoemd. Deze toestand dankt zijn naam aan het beroemde gedachte-experiment van Erwin Schrödinger over superpositie, waarin hij voorstelde dat een de kat die in een doos vastzit, is zowel levend als dood totdat de doos wordt geopend en de toestand ervan kan worden waargenomen.
Voor atomen is een kattoestand een speciaal soort superpositie waarbij de atomen zich tegelijkertijd in twee diametraal tegenovergestelde toestanden bevinden, zoals op en neer. Katachtige toestanden zijn erg verweven, benadrukt Rey, wat ze bijzonder interessant maakt voor de meetwetenschap.
De volgende stap zal zijn om deze techniek uit te proberen met een tweedimensionale reeks atomen, waarbij het aantal atomen wordt vergroot om de tijdsduur te verlengen die ze in deze verstrengelde toestanden kunnen blijven. Bovendien zou het wetenschappers in staat kunnen stellen nauwkeurigere en veel snellere metingen uit te voeren.
Verstrengeling door spincompressie zou ook ten goede kunnen komen aan optische atoomklokken, die een belangrijk wetenschappelijk meetinstrument zijn. Kaufman en zijn JILA-groep testten, samen met medewerkers van de groep van NIST/JILA-collega Jun Ye, een andere methode een andere studie in dit nummer van Natuur.
De onderzoekers laadden 140 strontiumatomen in een optisch rooster, een enkel vlak van licht dat de atomen vasthield. Ze gebruikten nauwkeurig gecontroleerde lichtbundels, optische pincetten genoemd, om de atomen in kleine subgroepen van elk 16 tot 70 atomen te plaatsen.
Met een krachtige ultraviolette laser brachten ze de atomen in een superpositie van hun gebruikelijke ‘klok’-toestand en een Rydberg-toestand met hogere energie. Deze techniek wordt het Rydbergverband genoemd.
De kloktoestandatomen zijn als rustige mensen op een druk feest; ze hebben geen sterke interactie met anderen. Maar voor atomen in de Rydberg-toestand bevindt het buitenste elektron zich zo ver van het centrum van het atoom dat het atoom in feite erg groot is, waardoor het sterker kan interageren met andere atomen.
Nu praat de hele partij. Met behulp van deze spincompressietechniek kunnen ze verstrengeling tussen alle 70 atomen creëren.
De onderzoekers vergeleken frequentiemetingen tussen groepen van 70 atomen en ontdekten dat deze verstrengeling de nauwkeurigheid verbeterde onder de limiet van niet-verstrengelde deeltjes, bekend als de standaard kwantumlimiet.
Snellere en nauwkeurigere metingen zullen ervoor zorgen dat deze klokken betere sensoren kunnen zijn voor het zoeken naar donkere materie en betere metingen van tijd en frequentie kunnen produceren.
Papieren:
Johannes Franke, Sean R. Muleady, Raphael Kaubruegger, Florian Kranzl, Rainer Blatt, Ana Maria Rey, Manoj K. Joshi en Christian F. Roos. Verbeterde kwantumdetectie op optische overgangen via eindige-bereikinteracties. Natuur. 30 augustus 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06472-z
William J. Eckner, Nelson Darkwah Oppong, Alec Cao, Aaron W. Young, William R. Milner, John M. Robinson, Jun Ye en Adam M. Kaufman. Realisatie van spincompressie met Rydberg-interacties in een optische klok. Natuur. 30 augustus 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06360-6
Bron: NIST
Oorspronkelijk gepubliceerd in The European Times.
