Fysikere udnytter kvantetidsvending til at måle vibrerende atomer

Kvantevibrationerne i atomer rummer en miniatureverden af ​​information. Hvis videnskabsmænd nøjagtigt kan måle disse atomsvingninger, og hvordan de udvikler sig over tid, kan de finpudse præcisionen af ​​atomure såvel som kvantesensorer, som er systemer af atomer, hvis udsving kan indikere tilstedeværelsen af ​​mørkt stof, en passerende gravitationsbølge, eller endda nye, uventede fænomener.

En stor forhindring på vejen mod bedre kvantemålinger er støj fra den klassiske verden, som nemt kan overvælde subtile atomare vibrationer, hvilket gør ændringer i disse vibrationer djævelsk svære at opdage.

Nu har MIT-fysikere vist, at de markant kan forstærke kvanteændringer i atomare vibrationer ved at sætte partiklerne igennem to nøgleprocesser:kvantesammenfiltring og tidsvending.

Før du begynder at shoppe efter DeLoreans, nej, de har ikke fundet en måde at vende tiden selv. Snarere har fysikerne manipuleret kvantesammenfiltrede atomer på en måde, så partiklerne opførte sig, som om de udviklede sig bagud i tiden. Efterhånden som forskerne effektivt spolede båndet af atomsvingninger tilbage, blev eventuelle ændringer af disse svingninger forstærket på en måde, der let kunne måles.

I et papir, der vises i dag i Nature Physics , demonstrerer holdet, at teknikken, som de døbte SATIN (til signalforstærkning gennem tidsvending), er den mest følsomme metode til at måle kvanteudsving, der er udviklet til dato.

Teknikken kunne forbedre nøjagtigheden af ​​de nuværende state-of-the-art atomure med en faktor på 15, hvilket gør deres timing så præcis, at urene over hele universets alder ville være mindre end 20 millisekunder væk. Metoden kan også bruges til yderligere at fokusere kvantesensorer, der er designet til at detektere gravitationsbølger, mørkt stof og andre fysiske fænomener.

"Vi tror, ​​at dette er fremtidens paradigme," siger hovedforfatter Vladan Vuletic, Lester Wolfe-professor i fysik ved MIT. "Enhver kvanteinterferens, der virker med mange atomer, kan drage fordel af denne teknik."

Studiets MIT-medforfattere inkluderer førsteforfatter Simone Colombo, Edwin Pedrozo-Peñafiel, Albert Adiyatullin, Zeyang Li, Enrique Mendez og Chi Shu.

Indviklede tidtagere

En given type atom vibrerer med en bestemt og konstant frekvens, der, hvis den måles korrekt, kan fungere som et meget præcist pendul, der holder tiden i meget kortere intervaller end et køkkenurs sekund. Men på skalaen af ​​et enkelt atom tager kvantemekanikkens love over, og atomets svingning ændrer sig som en mønts ansigt, hver gang den vendes. Kun ved at tage mange målinger af et atom kan forskere få et skøn over dets faktiske svingning - en begrænsning kendt som Standard Quantum Limit.

I avancerede atomure måler fysikere oscillationen af ​​tusindvis af ultrakolde atomer, mange gange for at øge deres chance for at få en nøjagtig måling. Alligevel har disse systemer en vis usikkerhed, og deres tidtagning kunne være mere præcis.

I 2020 viste Vuletics gruppe, at præcisionen af ​​nuværende atomure kunne forbedres ved at sammenfiltre atomerne - et kvantefænomen, hvorved partikler tvinges til at opføre sig i en kollektiv, stærkt korreleret tilstand. I denne sammenfiltrede tilstand bør svingningerne af individuelle atomer skifte mod en fælles frekvens, der ville tage langt færre forsøg på at måle nøjagtigt.

"På det tidspunkt var vi stadig begrænset af, hvor godt vi kunne udlæse urfasen," siger Vuletic.

Det vil sige, at de værktøjer, der blev brugt til at måle atomsvingninger, ikke var følsomme nok til at udlæse eller måle nogen subtil ændring i atomernes kollektive svingninger.

Vend tegnet

I deres nye undersøgelse, i stedet for at forsøge at forbedre opløsningen af ​​eksisterende udlæsningsværktøjer, søgte holdet at booste signalet fra enhver ændring i svingninger, således at de kunne læses af nuværende værktøjer. Det gjorde de ved at udnytte et andet mærkeligt fænomen i kvantemekanikken:tidsvending.

Det menes, at et rent kvantesystem, såsom en gruppe af atomer, der er fuldstændig isoleret fra hverdagens klassiske støj, bør udvikle sig frem i tiden på en forudsigelig måde, og atomernes interaktioner (såsom deres svingninger) bør beskrives præcist af systemets "Hamiltonian" - i det væsentlige en matematisk beskrivelse af systemets samlede energi.

I 1980'erne forudsagde teoretikere, at hvis et systems Hamiltonianer blev vendt, og det samme kvantesystem blev bragt til at udvikle sig, ville det være, som om systemet gik tilbage i tiden.

"I kvantemekanik, hvis du kender Hamiltonian, så kan du spore, hvad systemet gør gennem tiden, som en kvantebane," forklarer Pedrozo-Peñafiel. "Hvis denne udvikling er fuldstændig kvante, fortæller kvantemekanikken dig, at du kan de-evolutionere eller gå tilbage og gå til den oprindelige tilstand."

"Og tanken er, at hvis du kunne vende Hamiltonianerens tegn, ville enhver lille forstyrrelse, der opstod efter at systemet udviklede sig fremad, blive forstærket, hvis du går tilbage i tiden," tilføjer Colombo.

Til deres nye undersøgelse studerede holdet 400 ultrakolde atomer af ytterbium, en af ​​to atomtyper, der bruges nutidens atomure. De afkølede atomerne til blot et hår over det absolutte nulpunkt, ved temperaturer, hvor de fleste klassiske effekter såsom varme forsvinder, og atomernes adfærd udelukkende er styret af kvanteeffekter.

Holdet brugte et system af lasere til at fange atomerne og sendte derefter et blåt-farvet "sammenfiltrende" lys ind, som tvang atomerne til at oscillere i en korreleret tilstand. De lod de sammenfiltrede atomer udvikle sig fremad i tiden, og udsatte dem derefter for et lille magnetisk felt, som introducerede en lille kvanteændring, der ændrede atomernes kollektive svingninger en smule.

Et sådant skift ville være umuligt at opdage med eksisterende måleværktøjer. I stedet anvendte holdet tidsvending for at booste dette kvantesignal. For at gøre dette sendte de en anden, rødfarvet laser ind, der stimulerede atomerne til at skille sig ud, som om de udviklede sig bagud i tiden.

De målte derefter partiklernes svingninger, da de satte sig tilbage i deres usammenfiltrede tilstande, og fandt ud af, at deres sidste fase var markant forskellig fra deres indledende fase – klart bevis på, at der var sket en kvanteændring et sted i deres fremadrettede udvikling.

Holdet gentog dette eksperiment tusindvis af gange med skyer fra 50 til 400 atomer, hver gang de observerede den forventede forstærkning af kvantesignalet. De fandt ud af, at deres sammenfiltrede system var op til 15 gange mere følsomt end lignende ikke-sammenfiltrede atomsystemer. Hvis deres system anvendes på nuværende avancerede atomure, ville det reducere antallet af målinger, disse ure kræver, med en faktor på 15.

Fremadrettet håber forskerne at teste deres metode på atomure såvel som i kvantesensorer, for eksempel til mørkt stof.

"En sky af mørkt stof, der flyder ved Jorden, kan ændre tiden lokalt, og hvad nogle mennesker gør, er at sammenligne ure, f.eks. i Australien med andre i Europa og USA for at se, om de kan få øje på pludselige ændringer i, hvordan tiden går," siger Vuletic . "Vores teknik er præcist egnet til det, fordi man skal måle hurtigt skiftende tidsvariationer, mens skyen flyver forbi." + Udforsk yderligere

Ny type atomur kan hjælpe videnskabsmænd med at opdage mørkt stof og studere tyngdekraftens effekt på tid