Et sammenfiltret materiebølge-interferometer. Nå med dobbelt så uhyggelig

JILA og NIST-stipendiat James K. Thompsons team av forskere har for første gang vellykket kombinert to av de “skummelste” egenskapene til kvantemekanikk for å lage en bedre kvantesensor: sammenfiltring mellom atomer og delokalisering av atomer.

Einstein refererte opprinnelig til sammenfiltring som å skape skummel handling på avstand – den merkelige effekten av kvantemekanikk der det som skjer med ett atom på en eller annen måte påvirker et annet atom et annet sted. Entanglement er kjernen i håpefulle kvantedatamaskiner, kvantesimulatorer og kvantesensorer.

Et annet ganske skummelt aspekt ved kvantemekanikk er delokalisering, det faktum at en enkelt atom kan være på mer enn ett sted samtidig. Som beskrevet i papiret deres nylig publisert i Naturhar Thompson-gruppen kombinert det skumle med både sammenfiltring og delokalisering for å realisere et materiebølge-interferometer som kan registrere akselerasjoner med en presisjon som overgår standard kvantegrense (en grense for nøyaktigheten av en eksperimentell måling på et kvantenivå) for første gang.

Ved å doble ned på skumlen, vil fremtidige kvantesensorer være i stand til å gi mer presis navigasjon, utforske etter nødvendige naturressurser, mer presist bestemme grunnleggende konstanter som finstrukturen og gravitasjonskonstanter, se mer presist etter mørk materie, eller kanskje til og med én. dag oppdage gravitasjonsbølger.

Generer sammenfiltring

For å vikle inn to objekter, må man vanligvis bringe dem veldig, veldig nær hverandre slik at de kan samhandle. Thompson-gruppen har lært å vikle inn tusenvis til millioner av atomer selv når de er millimeter eller mer fra hverandre. De gjør dette ved å bruke lys som spretter mellom speil, kalt en optisk hulrom, for å tillate informasjon å hoppe mellom atomene og strikke dem til en sammenfiltret tilstand. Ved å bruke denne unike lysbaserte tilnærmingen har de skapt og observert noen av de mest sammenfiltrede tilstandene som noen gang er generert i ethvert system, enten det er atomisk, fotonisk eller fast tilstand.

Gruppen designet to distinkte eksperimentelle tilnærminger, som begge brukte i sitt siste arbeid. I den første tilnærmingen, kalt en kvantefri måling, foretar de en forhåndsmåling av kvantestøyen knyttet til atomene deres og trekker ganske enkelt kvantestøyen fra deres endelige måling.

I en andre tilnærming fører lys injisert inn i hulrommet til at atomene gjennomgår en-akset vridning, en prosess der kvantestøyen til hvert atom blir korrelert med kvantestøyen til alle de andre atomene slik at de kan konspirere sammen for å bli roligere . “Atomene er på en måte som barn som hyser på hverandre for å være stille slik at de kan høre om festen læreren har lovet dem, men her er det forviklingen som gjør hysingen,” sier Thompson.

Matter-wave interferometer

En av de mest presise og nøyaktige kvantesensorene i dag er materiebølge-interferometeret. Tanken er at man bruker lyspulser for å få atomer til å bevege seg samtidig og ikke bevege seg ved å ha både absorbert og ikke absorbert laserlys. Dette fører til at atomene over tid samtidig er på to forskjellige steder samtidig.

Som graduate student Chengyi Luo forklarer, “Vi skinner laserstråler på atomene slik at vi faktisk deler hvert atoms kvantebølgepakke i to, med andre ord, partikkelen eksisterer faktisk i to separate rom samtidig.” Senere pulser av laserlys reverser deretter prosessen som bringer kvantebølgepakkene sammen igjen slik at eventuelle endringer i miljøet som akselerasjoner eller rotasjoner kan registreres av en målbar mengde interferens som skjer med de to delene av atombølgepakken, omtrent som det gjøres med lysfelt i vanlige interferometre, men her med de’Broglie-bølger, eller bølger laget av materie.

Teamet med JILA-studenter fant ut hvordan de skulle få alt dette til å fungere inne i et optisk hulrom med svært reflekterende speil. De kunne måle hvor langt atomene falt langs det vertikalt orienterte hulrommet på grunn av tyngdekraften i en kvanteversjon av Galileos gravitasjonseksperiment som droppet gjenstander fra det skjeve tårnet i Pisa, men med alle fordelene med presisjon og nøyaktighet som kommer fra kvantemekanikken.

Dobler det skumle

Ved å lære å betjene et materiebølge-interferometer inne i et optisk hulrom, kunne teamet av doktorgradsstudenter ledet av Chengyi Luo og Graham Greve dra nytte av lys-materie-interaksjonene for å skape sammenfiltring mellom de forskjellige atomene for å lage en roligere og mer presis måling av akselerasjonen på grunn av tyngdekraften. Dette er første gang noen har vært i stand til å observere et materiebølge-interferometer med en presisjon som overgår standard kvantegrense for presisjon satt av kvantestøyen til uentangled atomer.

Takket være den forbedrede presisjonen ser forskere som Luo og Thompson mange fremtidige fordeler ved å bruke sammenfiltring som en ressurs i kvantesensorer. Thompson sier: “Jeg tror at vi en dag vil være i stand til å introdusere sammenfiltring i materiebølge-interferometre for å oppdage gravitasjonsbølger i verdensrommet, eller for mørk materie søk – ting som undersøker grunnleggende fysikksamt enheter som kan brukes til hverdagsapplikasjoner som navigasjon eller geodesi.”

Med denne betydningsfulle eksperimentelle fremskritt håper Thompson og teamet hans at andre vil bruke denne nye sammenfiltrede interferometertilnærmingen for å føre til andre fremskritt innen fysikkfeltet. Med optimisme sier Thompson: “Ved å lære å utnytte og kontrollere alt det skumle vi allerede vet om, kan vi kanskje oppdage nye skumle ting om universet som vi ikke engang har tenkt på ennå.”

---

---