Forskerhold overstørrelser kvanteklemning for at måle ultrasmå bevægelser

Fysikere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har udnyttet fænomenet "kvanteklemning" til at forstærke og måle billioner af en meter bevægelser af en enlig fanget magnesiumion (elektrisk ladet atom).

Beskrevet i udgaven af ​​21. juni af Videnskab , NIST er hurtig, reversibel klemmemetode kunne forbedre sansning af ekstremt svage elektriske felter i overfladevidenskabelige applikationer, for eksempel, eller detektere absorption af meget små mængder lys i enheder såsom atomure. Teknikken kunne også fremskynde operationer i en kvantecomputer.

"Ved at bruge klemning, vi kan måle med større følsomhed, end der kunne opnås uden kvanteeffekter, " sagde hovedforfatter Shaun Burd.

"Vi demonstrerer et af de højeste niveauer af kvanteklemning, der nogensinde er rapporteret og bruger det til at forstærke små mekaniske bevægelser, "NIST-fysiker Daniel Slichter sagde. "Vi er 7,3 gange mere følsomme over for disse bevægelser, end det ville være muligt uden brugen af ​​denne teknik."

Selvom presning af en appelsin kan gøre et saftigt rod, kvanteklemning er en meget præcis proces, som flytter måleusikkerhed fra et sted til et andet.

Forestil dig, at du holder en lang ballon, og luften inde repræsenterer usikkerhed. Kvanteklemning er som at klemme ballonen i den ene ende for at skubbe luft ind i den anden ende. Du flytter usikkerhed fra et sted, hvor du ønsker mere præcise målinger, til et andet sted, hvor du kan leve med mindre præcision, samtidig med at systemets totale usikkerhed bevares.

I tilfælde af magnesiumion, målinger af dens bevægelse er normalt begrænset af såkaldte kvanteudsving i ionens position og momentum, som opstår hele tiden, selv når ionen har den lavest mulige energi. Klemning manipulerer disse udsving, for eksempel ved at skubbe usikkerhed fra positionen til momentum, når forbedret positionsfølsomhed ønskes.

I NIST's metode, en enkelt ion holdes i rummet 30 mikrometer (milliontedele af en meter) over en flad safirchip dækket med guldelektroder, der bruges til at fange og kontrollere ionen. Laser- og mikrobølgeimpulser påføres for at berolige ionens elektroner og bevægelse til deres laveste energitilstande. Bevægelsen presses derefter ved at vrikke spændingen på visse elektroder ved dobbelt så naturlig frekvens af ionens frem og tilbage bevægelse. Denne proces varer kun et par mikrosekunder.

Efter klemningen, en lille, oscillerende elektrisk felt "testsignal" påføres ionen for at få den til at bevæge sig en lille smule i tredimensionelt rum. For at blive forstærket, denne ekstra bevægelse skal være "synkroniseret" med klemningen.

Endelig, klemningstrinnet gentages, men nu med elektrodespændingerne nøjagtigt ude af sync med de originale klemmespændinger. Denne usynkroniserede squeezing vender den indledende squeezing; imidlertid, samtidig forstærker den den lille bevægelse, som testsignalet forårsager. Når dette trin er fuldført, usikkerheden i ionbevægelsen er tilbage til sin oprindelige værdi, men ionens frem og tilbage bevægelse er større, end hvis testsignalet var blevet påført uden nogen af ​​klemningstrinene.

For at opnå resultaterne, et oscillerende magnetfelt påføres for at kortlægge eller kode ionens bevægelse til dens elektroniske "spin" tilstand, som så måles ved at lyse en laser på ionen og observere om den fluorescerer.

Ved at bruge et testsignal kan NIST-forskerne måle, hvor meget forstærkning deres teknik giver. I en ægte sanseapplikation, testsignalet ville blive erstattet af det faktiske signal, der skal forstærkes og måles.

NIST-metoden kan forstærke og hurtigt måle ionbevægelser på kun 50 picometers (billiontedele af en meter), som er omkring en tiendedel af størrelsen af ​​det mindste atom (brint) og omkring en hundrededel af størrelsen af ​​de upressede kvanteudsving. Endnu mindre bevægelser kan måles ved at gentage eksperimentet flere gange og beregne et gennemsnit af resultaterne. Den squeezing-baserede forstærkningsteknik gør det muligt at registrere bevægelser af en given størrelse med 53 gange færre målinger, end der ellers ville være nødvendigt.

Klemning er tidligere blevet opnået i en række fysiske systemer, inklusive ioner, men NIST-resultatet repræsenterer en af ​​de største squeezing-baserede sensingforbedringer, der nogensinde er rapporteret.

NISTs nye klemmemetode kan øge målefølsomheden i kvantesensorer og kan bruges til hurtigere at skabe sammenfiltring, som forbinder kvantepartiklers egenskaber, dermed fremskynde kvantesimulering og kvanteberegningsoperationer. Metoderne kan også bruges til at generere eksotiske bevægelsestilstande. Forstærkningsmetoden er anvendelig til mange andre vibrerende mekaniske genstande og andre ladede partikler såsom elektroner.