Et multi-ensemble atomur forbedret ved hjælp af kvanteberegningsværktøjer

Atomure er en klasse af ure, der udnytter atomernes resonansfrekvenser for at holde tiden med høj præcision. Selvom disse ure er blevet mere og mere avancerede og nøjagtige i årenes løb, udnytter eksisterende versioner måske ikke bedst de ressourcer, de er afhængige af for at holde tiden.

Forskere ved California Institute of Technology undersøgte for nylig muligheden for at bruge kvanteberegningsteknikker til yderligere at forbedre ydeevnen af ​​atomure. Deres papir, udgivet i Nature Physics , introducerer en ny ordning, der muliggør samtidig brug af flere atomure for at holde tiden med endnu større præcision.

"Atomure er årtier gamle, men deres ydeevne forbedres hvert år," sagde Adam Shaw, medforfatter til avisen, til Phys.org.

"Samtidig har der i de senere år været et stort fremstød i atomfysikmiljøet for at udvikle såkaldte kvantecomputere, enheder som styrer de enkelte atomers kvantetilstande til at udføre beregninger ud over en normal computers muligheder. Mens ure og computere er tilsyneladende ret forskellige, i de senere år har folk indset, at de kan være meget synergistiske."

Hovedformålet med den nylige undersøgelse af Shaw og hans kolleger var at bruge nogle af de værktøjer, der ligger til grund for kvantecomputeres funktion til at forbedre atomure. For at gøre dette realiserede forskerne eksperimentelt et 10 år gammelt teoretisk forslag, som indebærer samtidig brug af flere ure for at holde tiden bedre end et enkelt ur ville, ved at sikre, at hver af dem registrerer tidens gang med forskellige hastigheder.

"Idéen er grundlæggende den samme som at have flere visere på et ur:en timeviser til at holde styr på længere tidsændringer og en minutviser til mere præcist at holde styr på kortere tidsændringer," forklarede Shaw. "Det, vi har gjort, er i det væsentlige at bygge sådan et flerhåndsur på atomær skala. For at gøre det demonstrerer vi en ny måde at kontrollere individuelle atomers elektroniske tilstand på med meget høj kvalitet ved at ændre deres positioner i en laserstråle."

Forskerne brugte deres foreslåede teknik til at kontrollere individuelle atomer i atomure. Specifikt sikrede de, at hvert atom effektivt oplevede, at tiden gik langsommere eller hurtigere, afhængigt af deres dynamiske position i forhold til den påførte laserstråle.

"De nuværende mest præcise ure i verden fungerer ved at måle tidens gang med et stort ensemble af atomer, men vi viser, at individuel kontrol kan føre til bedre ydeevne," sagde Shaw. "Mere generelt viser vores arbejde styrken ved at kombinere funktionerne fra kvantecomputere og kvantesensorer, en forening, som mange andre grupper arbejder på at opnå og forbedre."

De første resultater indsamlet af Shaw og hans kolleger er meget opmuntrende og fremhæver potentialet ved kvanteberegningsteknikker i metrologiforskning. I fremtiden kan denne undersøgelse inspirere til udviklingen af ​​andre programmerbare kvanteoptiske ure, der giver endnu bedre ydeevne.

En uge efter holdet offentliggjorde deres papir, offentliggjorde en anden forskergruppe ledet af Shimon Kolkowitz ved Berkeley et papir, der forsøgte at realisere et lignende flerhåndsur i Physical Review X . Deres flerhåndsur blev skabt ved hjælp af en anden teknik, men det fremhæver også fordelene ved at stole på mere end ét atomur ad gangen.

"I vores seneste papir kontrollerede vi flere individuelle atomure, men selve urene var relativt enkle:kun enkelte atomer," tilføjede Shaw.

"Vi arbejder nu på at bruge kvantesammenfiltring mellem individuelle atomer inden for hvert ur, så hver 'viser' på vores atomur bliver mere præcis. At gøre det burde forbedre urets ydeevne og ville være en ægte hybrid af en kvantecomputer og et atomur. "

Flere oplysninger: Adam L. Shaw et al., Multi-ensemble metrologi ved at programmere lokale rotationer med atombevægelser, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02323-w.

Xin Zheng et al., Reducing the Instability of an Optical Lattice Clock Using Multiple Atomic Ensembles, Physical Review X (2024). DOI:10.1103/PhysRevX.14.011006.

Journaloplysninger: Naturfysik , Fysisk gennemgang X

© 2024 Science X Network