Interferensen af ​​mange atomer og en ny tilgang til bosonprøvetagning

I det daglige liv, når to objekter "ikke kan skelnes", skyldes det en ufuldkommen videnstilstand. Når en gademagiker forvrider kopperne og kuglerne, kunne du i princippet holde styr på, hvilken kugle der er hvilken, efterhånden som de sendes mellem kopperne. Men på de mindste skalaer i naturen kan selv tryllekunstneren ikke kende en bold fra en anden.

Ægte ukendelighed af denne type kan fundamentalt ændre, hvordan boldene opfører sig. For eksempel, i et klassisk eksperiment af Hong, Ou og Mandel, er to identiske fotoner (kugler), der rammer modsatte sider af et halvreflekterende spejl, altid fundet ud af den samme side af spejlet (i den samme kop). Dette skyldes en særlig form for interferens, ikke nogen interaktion mellem fotonerne. Med flere fotoner og flere spejle bliver denne interferens enormt kompliceret.

Måling af mønsteret af fotoner, der kommer frem fra en given labyrint af spejle, er kendt som "bosonsampling". Bosonsampling menes at være umulig at simulere på en klassisk computer for mere end et par snesevis af fotoner. Som et resultat har der været en betydelig indsats for at udføre sådanne eksperimenter med faktiske fotoner og demonstrere, at en kvanteenhed udfører en specifik beregningsopgave, som ikke kan udføres klassisk. Denne indsats har kulmineret i nylige påstande om kvantefordele ved brug af fotoner.

Nu i et nyligt udgivet papir i Nature , JILA Fellow og NIST Physicist og University of Colorado Boulder Physics Professor Adam Kaufman og hans team har sammen med samarbejdspartnere ved NIST (The National Institute of Standards and Technology) demonstreret en ny metode til bosonprøvetagning ved hjælp af ultrakolde atomer (specifikt bosoniske atomer) ) i et todimensionalt optisk gitter af skærende laserstråler.

Ved hjælp af værktøjer som en optisk pincet kan specifikke mønstre af identiske atomer fremstilles. Atomerne kan forplantes gennem gitteret med minimalt tab, og deres positioner detekteres med næsten perfekt nøjagtighed efter deres rejse. Resultatet er en implementering af bosonsampling, der er et betydeligt spring ud over, hvad der er blevet opnået før, enten i computersimuleringer eller med fotoner.

"Optisk pincet har muliggjort banebrydende eksperimenter i mange-legemes fysik, ofte til studier af mange-interagerende atomer, hvor atomerne er fastgjort i rummet og interagerer over lange afstande," siger Kaufman. "Men en stor klasse af grundlæggende mangekropsproblemer - såkaldte 'Hubbard'-systemer - opstår, når partikler både kan interagere og tunnelere, kvantemekanisk spredes ud i rummet. Tidligt i opbygningen af ​​dette eksperiment havde vi målet om at anvende dette pincetparadigme til storskala Hubbard-systemer – denne publikation markerer den første realisering af denne vision."

Teknikker til bedre kontrol

For at opnå disse resultater brugte forskerne adskillige banebrydende teknikker, herunder en optisk pincet - højt fokuserede lasere, der kan flytte individuelle atomer med udsøgt præcision - og avancerede kølemetoder, der bringer atomerne tæt på det absolutte nulpunkt, hvilket minimerer deres bevægelse og giver mulighed for præcise kontrol og måling.

På samme måde som et forstørrelsesglas skaber et prik af lys, når det er fokuseret, kan en optisk pincet holde individuelle atomer i kraftige lysstråler, så de kan flyttes med ekstrem præcision. Ved hjælp af disse pincet forberedte forskerne specifikke mønstre på op til 180 strontiumatomer i et gitter på 1.000 steder, dannet af skærende laserstråler, der skaber et gitterlignende mønster af potentielle energibrønde for at fange atomerne. Forskerne brugte også sofistikerede laserafkølingsteknikker til at forberede atomerne og sikrede, at de forblev i deres laveste energitilstand og derved reducerede støj og dekohærens - almindelige udfordringer i kvanteeksperimenter.

NIST-fysiker Shawn Geller forklarede, at afkølingen og forberedelsen sikrede, at atomerne var så identiske som muligt, og fjernede alle mærker, såsom individualiserede indre tilstande eller bevægelsestilstande, der kunne gøre et givet atom anderledes end de andre.

"At tilføje en etiket betyder, at universet kan fortælle, hvilket atom der er hvilket, selvom du ikke kan se etiketten som en eksperimentator," siger førsteforfatter og tidligere JILA-kandidatstuderende Aaron Young. "Tilstedeværelsen af ​​en sådan etiket ville ændre dette fra et absurd svært prøveudtagningsproblem til et, der er fuldstændig trivielt."

Et spørgsmål om skalering

Af samme grund som bosonprøvetagning er svær at simulere, er det ikke muligt direkte at verificere, at den korrekte prøvetagningsopgave er udført, for eksperimenterne med 180 atomer. For at overvinde dette problem prøvede forskerne deres atomer i forskellige skalaer.

Ifølge Young, "Vi laver tests med to atomer, hvor vi godt forstår, hvad der sker. Så kan vi i en mellemskala, hvor vi stadig kan simulere ting, sammenligne vores målinger med simuleringer, der involverer rimelige fejlmodeller for vores eksperiment. Generelt skala, kan vi løbende variere, hvor hård prøvetagningsopgaven er ved at kontrollere, hvor skelnelige atomerne er og bekræfte, at intet dramatisk går galt."

Geller tilføjer:"Det, vi gjorde, var at udvikle test, der bruger fysik, vi kender til at forklare, hvad vi tror, ​​der sker."

Gennem denne proces var forskerne i stand til at bekræfte den høje troværdighed af atompræparationen og senere udvikling af atomernes kvantetilstande sammenlignet med tidligere demonstrationer af bosonprøvetagning. Især det meget lave tab af atomer sammenlignet med fotoner under atomernes udvikling udelukker moderne beregningsteknikker, der udfordrer tidligere demonstrationer af kvantefordele.

Den højkvalitets og programmerbare forberedelse, evolution og detektion af atomer i et gitter demonstreret i dette arbejde kan anvendes i den situation, hvor atomerne interagerer. Dette åbner nye tilgange, der simulerer og studerer adfærden af ​​rigtige, og ellers dårligt forståede, kvantematerialer.

"Brug af ikke-interagerende partikler gjorde det muligt for os at tage dette specifikke problem med bosonprøvetagning til et nyt regime," siger Kaufman. "Alligevel opstår mange af de mest fysisk interessante og beregningsmæssigt udfordrende problemer med systemer med mange interagerende partikler. Fremadrettet forventer vi, at anvendelsen af ​​disse nye værktøjer på sådanne systemer vil åbne døren til mange spændende eksperimenter."

Flere oplysninger: www.nature.com/articles/s41586-024-07304-4

Journaloplysninger: Natur

Leveret af JILA