Kvantemørke tilstande fører til en fordel i støjreduktion

Mens atomure allerede er de mest præcise tidtagningsenheder i universet, arbejder fysikere hårdt på at forbedre deres nøjagtighed endnu mere. En måde er ved at udnytte spin-klemmede tilstande i uratomer.

Spin-klemmede tilstande er sammenfiltrede tilstande, hvor partikler i systemet konspirerer for at annullere deres iboende kvantestøj. Disse tilstande giver derfor store muligheder for kvanteforbedret metrologi, da de giver mulighed for mere præcise målinger. Alligevel har spin-klemmede tilstande i de ønskede optiske overgange med lidt udefrakommende støj været svære at forberede og vedligeholde.

En særlig måde at generere en spin-klemt tilstand på, eller klemning, er ved at placere ur-atomerne i et optisk hulrum, et sæt spejle, hvor lyset kan hoppe frem og tilbage mange gange. I hulrummet kan atomer synkronisere deres fotonemissioner og udsende et lysudbrud langt lysere end fra et atom alene, et fænomen, der omtales som superstråling. Afhængigt af hvordan superradiance bruges, kan det føre til sammenfiltring, eller alternativt kan det i stedet forstyrre den ønskede kvantetilstand.

I et tidligere studie, udført i et samarbejde mellem JILA og NIST Fellows, Ana Maria Rey og James Thompson, opdagede forskerne, at atomer på flere niveauer (med mere end to indre energitilstande) tilbyder unikke muligheder for at udnytte superstrålende emission ved i stedet at inducere atomerne til at annullere hinandens emissioner og forblive mørke.

Nu rapporteret i et par nye artikler offentliggjort i Physical Review Letters og Fysisk gennemgang A , Rey og hendes team opdagede en metode til, hvordan man ikke kun skaber mørke tilstande i et hulrum, men endnu vigtigere, får disse tilstande til at spinde presset. Deres resultater kunne åbne bemærkelsesværdige muligheder for at generere sammenfiltrede ure, som kunne skubbe grænsen for kvantemetrologi på en fascinerende måde.

Ruller ind i en mørk tilstand på en superstrålende rutsjebane

I flere år har Rey og hendes team undersøgt muligheden for at udnytte superradiance ved at danne mørke tilstande inde i et hulrum. Fordi mørke tilstande er unikke konfigurationer, hvor de sædvanlige veje for lysemission interfererer destruktivt, udsender disse tilstande ikke lys. Rey og hendes team har vist, at mørke tilstande kunne realiseres, når atomer fremstillet i visse begyndelsestilstande blev placeret inde i et hulrum.

Forberedt på denne måde kunne kvantetilstandene forblive uigennemtrængelige for virkningerne af superstråling eller lysemission ind i hulrummet. Atomerne kunne stadig udsende lys uden for hulrummet, men i et tempo, der er meget langsommere end superstråling.

Den tidligere JILA-postdoc-forsker Asier Piñeiro Orioli, ledende forsker i det tidligere studie med Thompson, og også en bidragyder til de to nyligt offentliggjorte undersøgelser, fandt en enkel måde at forstå fremkomsten af ​​en mørk tilstand i et hulrum i forhold til, hvad de kaldte et superstrålende potentiale.

Rey siger:"Vi kan forestille os det superstrålende potentiale som en rutsjebane, hvor atomer kører. Når de falder ned ad bakken, udsender de lys kollektivt, men de kan sidde fast, når de når en dal. Ved dalene danner atomerne mørket. tilstande og stop med at udsende lys ind i hulrummet."

I deres tidligere arbejde med Thompson fandt JILA-forskerne ud af, at de mørke tilstande i det mindste skal være en lille smule viklet ind.

"Spørgsmålet, vi havde til hensigt at tage fat på i de to nye værker, er, om de kan være både mørke og stærkt sammenfiltrede," forklarer førsteforfatter Bhuvanesh Sundar, en tidligere JILA postdoc-forsker. "Det spændende er, at vi ikke kun fandt ud af, at svaret er ja, men at disse typer af pressede tilstande er ret ligetil at forberede."

Skaber stærkt sammenfiltrede mørke tilstande

I de nye undersøgelser fandt forskerne ud af to mulige måder at forberede atomerne på i stærkt sammenfiltrede spin-klemmede tilstande. En måde var ved at skinne atomerne med en laser for at aktivere dem over deres jordtilstand og derefter placere dem i specielle punkter på superstrålepotentialet, også kendt som saddelpunkter. Ved sadelpunkterne lader forskerne atomer slappe af i hulrummet ved at slukke for laseren, og interessant nok omformer atomerne deres støjfordeling og bliver meget klemt.

"Saddelpunkterne er dale, hvor potentialet har nul krumning og nul hældning samtidigt," uddyber Rey. "Dette er særlige punkter, fordi atomer er mørke, men på grænsen til at blive ustabile og derfor har en tendens til at omforme deres støjfordeling til at blive klemt."

Den anden foreslåede metode involverede overførsel af superstrålende tilstande til mørke tilstande. Her fandt holdet også andre specielle punkter, hvor atomerne er tæt på specielle "lyse" punkter - ikke i en dal i rutsjebanen, men på punkter med nul krumning - hvor samspillet mellem superstråling og en ekstern laser genererer spin-squeezing .

"Det smarte er, at spinklemningen, der genereres ved disse lyse punkter, derefter kan overføres til en mørk tilstand, hvor vi efter passende justering kan slukke for laseren og bevare klemmen," tilføjer Sundar.

Denne overførsel fungerer ved først at drive atomerne ind i en dal af superstrålingspotentialet og derefter bruge lasere med passende polariseringer (eller retninger af lysoscillationer) til sammenhængende at justere de sammenpressede retninger, hvilket gør de pressede tilstande immune over for superstråling.

Overførslen af ​​pressede tilstande til mørke tilstande bevarede ikke kun de reducerede støjkarakteristika for de klemte tilstande, men sikrede også deres overlevelse i fravær af at blive drevet af en ekstern laser, en afgørende faktor for praktiske anvendelser inden for kvantemetrologi.

Mens undersøgelsen blev offentliggjort i Physical Review Letters brugte kun én polarisering af laserlyset til at inducere spinklemning, hvilket genererede to klemte tilstande, Physical Review A papir tog denne simulering videre ved at bruge begge polariseringer af laserlys, hvilket resulterede i fire spin-squeezed modes (to modes for hver polarisation).

"I disse to artikler overvejede vi atomer på flere niveauer med mange indre niveauer," siger Piñeiro Orioli, "og at have mange indre niveauer er sværere at simulere end at have to niveauer, hvilket ofte studeres i litteraturen. Så vi udviklede et sæt af værktøjer til at løse disse systemer på flere niveauer. Vi udarbejdede en formel til at beregne sammenfiltring genereret fra den oprindelige tilstand."

Resultaterne af disse undersøgelser kan have vidtrækkende konsekvenser for atomure. Ved at overvinde begrænsningerne af superstråling via generering af mørke sammenfiltrede tilstande, lagrer fysikere enten de sammenfiltrede tilstande ved at bruge atomerne som en hukommelse (der giver mulighed for at hente information fra disse tilstande) eller injicerer den sammenfiltrede tilstand i et ur eller interferometersekvens for kvante -forbedrede målinger.

Flere oplysninger: Bhuvanesh Sundar et al., Squeezing Multilevel Atoms in Dark States via Cavity Superradiance, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.033601. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2302.10828

Bhuvanesh Sundar et al., Driven-dissipative fire-mode squeezing of multilevel atoms in a optical cavity, Physical Review A (2024). DOI:10.1103/PhysRevA.109.013713. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2309.10717

Leveret af JILA