Таким образом, физики из Института квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI) при Австрийской академии наук и Института экспериментальной физики Университета Инсбрука обходят стороной метод квантовой логической спектроскопии. Они были разработаны несколько лет назад группой нобелевского лауреата Дэвида Вайнленда для создания чрезвычайно точных атомных часов.
Это одно из первых практических приложений квантовой обработки информации, которое в ближайшие несколько лет может привести к переопределению второго в международной системе единиц измерения.
Измерение через запутывание
Команда физиков Кристиана Рооса и Корнелиуса Хемпеля в Инсбруке изолировала одиночные ионы в ионной ловушке, чтобы изучать их в контролируемых условиях. «Мы не пытаемся обнаружить фотон, который испускается или поглощается ионом, мы скорее пытаемся определить импульс, который ион получает при поглощении или испускании», – объясняет Корнелиус Хемпель. «Хотя этот эффект чрезвычайно мал, мы можем обнаружить его с помощью квантовой физики.«Физики используют дополнительный« логический »ион, на котором производится измерение. «Этот ион кальция (40Ca +) можно очень хорошо контролировать в эксперименте», – говорит Хемпель. В качестве спектроскопического иона исследователи используют другой изотоп кальция (44Ca +).
В эксперименте лазерный импульс возбуждает частицы и запутывает электронное состояние логического иона с колебаниями частиц. «В этой конфигурации, также называемой состоянием кота Шредингера, ионы качаются, как классический маятник в ловушке. Но как «квантовый маятник» они одновременно качаются в обоих направлениях », – описывает Хемпель центральную часть эксперимента. "Затем мы возбуждаем ион, который хотим исследовать, применяя различные частоты лазера.
На определенной частоте ион испускает одиночный фотон и получает минимальный импульс импульса, который вызывает небольшое смещение колебательных компонентов. Это можно наблюдать через электронное состояние логического иона. В сочетании с этой информацией частота лазера позволяет нам получить информацию о внутреннем состоянии спектроскопического иона.«В текущем эксперименте ученые обнаружили одиночные фотоны с вероятностью 12%. "Таким образом, мы доказываем, что этот метод работает в принципе. Благодаря технически оптимизированной настройке мы сможем значительно повысить чувствительность », – уверенно заявляют Роос и Хемпель.
Универсальное приложение
«Используя экзотическую концепцию квантово-механической запутанности, мы можем получить практические знания об отдельных частицах», – взволнованно говорит Кристиан Роос. «Поскольку наш метод измерения не так сильно зависит от длины волны обнаруженного фотона, его можно использовать для различных целей», – добавляет Корнелиус Хемпель. Например, с помощью этой техники можно исследовать уровни энергии различных атомов и молекул. Поскольку управлять молекулами в эксперименте сложно, этот метод является огромным прогрессом в изучении более сложных структур.
Это исследование, проведенное в Институте квантовой оптики и квантовой информации Австрийской академии наук и в Институте экспериментальной физики Университета Инсбрука, было поддержано Европейским союзом.