Varm og rodet sammenfiltring af 15 billioner atomer

Kvantesammenfiltring er en proces, hvorved mikroskopiske objekter som elektroner eller atomer mister deres individualitet for at blive bedre koordineret med hinanden. Entanglement er kernen i kvanteteknologier, der lover store fremskridt inden for databehandling, kommunikation og sansning, for eksempel, detektering af gravitationsbølger.

Indviklede stater er berømt skrøbelige:I de fleste tilfælde, selv en lille forstyrrelse vil fortryde sammenfiltringen. Af denne grund, nuværende kvanteteknologier gør meget ud af at isolere de mikroskopiske systemer, de arbejder med, og fungerer typisk ved temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt. ICFO-teamet, i modsætning, opvarmede en samling atomer til 450 Kelvin i et nyligt eksperiment, millioner af gange varmere end de fleste atomer, der bruges til kvanteteknologi. I øvrigt, de enkelte atomer var alt andet end isolerede; de kolliderede med hinanden med få mikrosekunder, og hver kollision satte deres elektroner til at dreje i tilfældige retninger.

Forskerne brugte en laser til at overvåge magnetiseringen af ​​denne varme, kaotisk gas. Magnetiseringen er forårsaget af de roterende elektroner i atomerne, og giver en måde at studere effekten af ​​kollisionerne og til at detektere sammenfiltring. Det, forskerne observerede, var et enormt antal sammenfiltrede atomer - omkring 100 gange flere end nogensinde før observeret. De så også, at sammenfiltringen er ikke-lokal - den involverer atomer, der ikke er tæt på hinanden. Mellem to indviklede atomer er der tusindvis af andre atomer, hvoraf mange er viklet ind i endnu andre atomer, i en kæmpe, varm og rodet sammenfiltret tilstand.

Hvad de også så, som Jia Kong, første forfatter til undersøgelsen, husker, "er, at hvis vi stopper målingen, sammenfiltringen forbliver i omkring 1 millisekund, hvilket betyder, at 1000 gange i sekundet, en ny batch på 15 billioner atomer bliver viklet ind. Og du må tro, at 1 ms er meget lang tid for atomerne, længe nok til at omkring 50 tilfældige kollisioner kan forekomme. Dette viser tydeligt, at sammenfiltringen ikke ødelægges af disse tilfældige begivenheder. Dette er måske det mest overraskende resultat af arbejdet."

Observationen af ​​denne varme og rodede sammenfiltrede tilstand baner vejen for ultrafølsom magnetfeltdetektion. For eksempel, i magnetoencefalografi (magnetisk hjernebilleddannelse), en ny generation af sensorer bruger de samme varme, atomare gasser med høj densitet til at detektere de magnetiske felter, der produceres af hjerneaktivitet. De nye resultater viser, at sammenfiltring kan forbedre følsomheden af ​​denne teknik, som har anvendelser inden for grundlæggende hjernevidenskab og neurokirurgi.

ICREA Prof. ved ICFO Morgan Mitchell siger, "Dette resultat er overraskende, en reel afvigelse fra, hvad alle forventer af sammenfiltring. Vi håber, at denne form for gigantisk sammenfiltret tilstand vil føre til bedre sensorydeevne i applikationer lige fra hjernebilleder til selvkørende biler til søgninger efter mørkt stof."

En Spin Singlet og QND

En spin-singlet er en form for sammenfiltring, hvor de multiple partiklers spins – deres iboende vinkelmomentum – summeres til 0, hvilket betyder, at systemet har nul totalt vinkelmomentum. I dette studie, forskerne anvendte quantum non-demolition (QND) måling for at udtrække informationen om spindet af billioner af atomer.

Teknikken sender laserfotoner med en bestemt energi gennem atomernes gas. Fotonerne med denne præcise energi exciterer ikke atomerne, men de er selv påvirkede af mødet. Atomernes spin fungerer som magneter til at rotere lysets polarisering. Ved at måle, hvor meget fotonernes polarisering har ændret sig efter at have passeret gennem skyen, forskerne er i stand til at bestemme det samlede spin af atomgas.

SERF-regimet

Nuværende magnetometre fungerer i et regime, der kaldes SERF, langt væk fra de næsten absolutte nultemperaturer, som forskere typisk bruger til at studere sammenfiltrede atomer. I dette regime, ethvert atom oplever mange tilfældige kollisioner med andre naboatomer, gør kollisioner til den vigtigste effekt på atomets tilstand.

Ud over, fordi de er i et varmt medium i stedet for et ultrakoldt, kollisionerne randomiserer hurtigt elektronernes spin i et givet atom. Forsøget viser, overraskende, at denne form for forstyrrelse ikke bryder de sammenfiltrede tilstande; den overfører blot sammenfiltringen fra et atom til et andet.