Kvantesensor gennembrud ved hjælp af naturligt forekommende vibrationer i kunstige atomer

Et team af forskere, ledet af University of Bristol, har opdaget en ny metode, der kunne bruges til at bygge kvantesensorer med ultrahøj præcision.

Når individuelle atomer udsender lys, de gør det i diskrete pakker kaldet fotoner.

Når dette lys måles, denne diskrete eller 'granulære' natur fører til særligt lave udsving i lysstyrken, da to eller flere fotoner aldrig udsendes på samme tid.

Denne egenskab er særlig nyttig til udvikling af fremtidige kvanteteknologier, hvor lave udsving er nøglen, og har ført til en bølge af interesse for konstruerede systemer, der fungerer som atomer, når de udsender lys, men hvis egenskaber er lettere skræddersyet.

Disse 'kunstige atomer' som de er kendt, er typisk lavet af solide materialer, og er faktisk meget større objekter, hvor tilstedeværelsen af ​​vibrationer er uundgåelig, og anses normalt for at være skadelig.

Imidlertid, et samarbejdende team, ledet af University of Bristol, har nu fastslået, at disse naturligt forekommende vibrationer i kunstige atomer overraskende kan føre til en endnu større undertrykkelse af fluktuationer i lysstyrke end den, der er til stede i naturlige atomsystemer.

Forfatterne, som omfatter akademikere fra universiteterne i Sheffield og Manchester, viser, at disse lave udsving kunne bruges til at bygge kvantesensorer, der i sagens natur er mere nøjagtige end dem, der er mulige uden vibrationer.

Deres resultater er offentliggjort i dag i tidsskriftet Naturkommunikation .

Dr. Dara McCutcheon, hovedforsker af forskningen og underviser i kvanteteknik fra University of Bristol's School of Physics sagde:"Konsekvenserne af denne forskning er ret vidtrækkende.

"Normalt tænker man altid på vibrationerne i disse relativt store kunstige atomer som værende skadelige for det lys, de udsender, da vibrationerne typisk skubber energiniveauerne, med de resulterende fluktuationer indprentet på de udsendte fotoner.

"Hvad sker der dog her, er, at ved lave temperaturer virker vibrationsmiljøet til at afkøle systemet - på en måde fryser energiniveauerne, og til gengæld undertrykker fluktuationer på de udsendte fotoner."

Dette arbejde peger mod en ny vision for disse kunstige atomer, hvor deres solid-state natur faktisk bliver brugt til at producere lys, der ikke kunne laves ved hjælp af naturlige atomsystemer.

Det åbner også døren til et nyt sæt applikationer, der bruger kunstige atomer til kvanteforstærket sansning, lige fra magnetometri i lille skala, der kunne bruges til at måle signaler i hjernen, helt op til fuldskala gravitationsbølgedetektion, der afslører kosmiske processer i centrum af galakser.