Fysikere skaber rekordsættende kvantebevægelser

Viser præcis kontrol på kvanteniveau, fysikere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har udviklet en metode til at få en ion (elektrisk ladet atom) til at vise nøjagtige mængder af bevægelse på kvanteniveau - enhver specifik mængde op til 100 pakker energi eller "kvanter, "mere end fem gange den tidligere rekordhøje på 17.

Kvantemekanik, den grundlæggende teori om atomverdenen, angiver, at energi frigives eller absorberes i små pakker, eller pakker, kaldet kvante. Atomer frigiver lysenergi ved at udstråle fotoner, eller mængden af ​​lys. Når forskere bliver fanget i en fælde, atomernes bevægelsesenergi bæres af fononer, eller bevægelsesmængde.

Ud over at skabe enkelte antal kvanter, NIST-holdet kontrollerede deres ions pendullignende bevægelse til samtidigt at udvise to forskellige mængder af bevægelseskvanter:nul (minimumsbevægelse) plus et hvilket som helst tal op til 18. En sådan "superposition" af to tilstande er et kendetegn for den nysgerrige kvanteverden.

Udgivet online af Natur den 22. juli, de nye metoder kunne bruges med enhver kvantemekanisk oscillator, inklusive systemer, der svinger som et simpelt pendul eller vibrerer som en fjeder. Teknikkerne kan føre til nye typer kvantesimulatorer og sensorer, der bruger fononer som informationsbærere. Ud over, evnen til at skræddersy superpositionstilstande kan forbedre kvantemålinger og kvanteinformationsbehandling. Brug af ionen i en superposition som et frekvensmåleinstrument mere end fordoblede præcisionen sammenlignet med konventionelle målinger af ionens vibrationsfrekvens.

"Hvis vi har kvantekontrol af et objekt, vi kan 'bøje' klassiske regler til at have lavere usikkerheder i visse ønskede retninger på bekostning af større usikkerheder i andre retninger, " sagde førsteforfatter Katie McCormick. "Vi kan derefter bruge kvantetilstanden som en lineal til at måle egenskaber af et system. Jo mere kvantekontrol vi har, jo tættere er linjerne på linealen, giver os mulighed for at måle mængder mere og mere præcist."

Eksperimenterne blev udført med en enkelt berylliumion holdt 40 mikrometer over guldelektroderne i en afkølet elektromagnetisk fælde. De nye resultater var mulige, fordi NIST-forskere var i stand til at minimere uønskede faktorer såsom omstrejfende elektriske felter, der udveksler energi med og forstyrrer ionen, sagde McCormick.

For at tilføje fononer til ionen, NIST-forskere skiftede ultraviolette laserimpulser lige over og under frekvensforskellen mellem to af ionernes "spin"-tilstande, eller interne energikonfigurationer. Hver puls vendte ionen fra "spin op" til "spin ned" eller omvendt, med hver flip tilføjer et kvantum af ion-rokkende bevægelse. For at skabe superpositioner, forskere anvendte disse laserimpulser på kun halvdelen af ​​ionens bølgefunktion (det bølgelignende mønster af sandsynligheden for partiklens placering og spintilstand). Den anden halvdel af bølgefunktionen var i en tredje spin-tilstand, der var upåvirket af laserimpulserne og forblev ubevægelig.

Superpositioner af ionens ubevægelige (eller jordtilstand) og et højere fononnummer gav NIST-forskere "kvanteforstærket" målefølsomhed, eller præcision. De brugte ionen som et interferometer, et instrument, der splitter og sammensmelter to delbølger for at skabe et interferensmønster, der kan analyseres for at karakterisere frekvensen. NIST-forskere brugte interferometeret til at måle ionens oscillationsfrekvens med en usikkerhed, der er mindre end normalt muligt.

Specifikt, målepræcision steg lineært med antallet af bevægelseskvanter, indtil den bedste ydeevne i 0-og-12-superpositionstilstanden, som tilbød mere end dobbelt så stor følsomhed som en klassisk opførende kvantetilstand (teknisk sammensat af et sæt taltilstande). Denne 0-og-12-superpositionstilstand var også mere end syv gange mere præcis end den enkleste interferometer-superposition på 0 og 1.

For at forstå hvorfor superpositionstilstande hjælper med at måle ionens oscillationsfrekvens mere præcist, McCormick foreslår at forestille sig et hjul med eger.

"I et bestemt abstrakt rum, der beskriver ionens position og momentum, oscillationen er repræsenteret ved en rotation, " sagde McCormick. "Vi ønsker at være i stand til at måle denne rotation meget præcist. Superpositioner af ionens grundtilstand og tilstande med højere antal er en stor lineal for denne måling, fordi i denne abstrakte fremstilling, de kan visualiseres som et hjul med eger. Disse eger kan bruges til at bestemme mængden, hvormed staten har roteret. Og jo højere tallet er, jo flere eger der er, og jo mere præcist kan vi måle denne rotation."

Målefølsomheden, der tilbydes af superpositionstilstande, bør hjælpe med at karakterisere og reducere støj i bevægelsen, en vigtig fejlkilde, som forskere ønsker at minimere i kvanteinformationsbehandling med fangede ioner.