Исследователи говорят, что этот метод обеспечивает реалистичный метод создания больших ансамблей запутанных атомов, которые являются ключевыми компонентами для создания более точных атомных часов.
«Вы можете утверждать, что один фотон не может изменить состояние 3000 атомов, но этот один фотон может – он создает корреляции, которых у вас не было раньше», – говорит Владан Вулетич, профессор Лестера Вулфа с факультета Массачусетского технологического института. наук, старший автор статьи. "По сути, мы открыли новый класс запутанных состояний, которые мы можем создать, но есть еще много новых классов, которые нужно изучить."
Соавторами статьи являются Роберт МакКоннелл, Хао Чжан и Цзячжун Ху из Массачусетского технологического института, а также Сенка Цук из Белградского университета.
Атомная запутанность и хронометраж
Запутывание – любопытное явление: согласно теории, две или более частицы могут быть коррелированы таким образом, что любое изменение одной частицы одновременно изменит другую, независимо от того, насколько далеко они могут быть друг от друга. Например, если бы один атом в запутанной паре каким-то образом заставить вращаться по часовой стрелке, другой атом мгновенно узнал бы, что вращается против часовой стрелки, даже если физически два атома могут быть физически разделены тысячами миль.
Явление запутывания, которое физик Альберт Эйнштейн однажды назвал «жутким действием на расстоянии», описывается не законами классической физики, а квантовой механикой, которая объясняет взаимодействия частиц на наномасштабе. Известно, что в таких крохотных масштабах частицы, такие как атомы, ведут себя иначе, чем материя на макроуровне.
Ученые искали способы запутать не только пары, но и большое количество атомов; такие ансамбли могли бы стать основой для мощных квантовых компьютеров и более точных атомных часов. Последнее является мотивацией для группы Vuletic.
Лучшие современные атомные часы основаны на собственных колебаниях в облаке захваченных атомов. Когда атомы колеблются, они действуют как маятник, сохраняя постоянное время.
Лазерный луч внутри часов, направленный через облако атомов, может обнаруживать колебания атомов, которые в конечном итоге определяют продолжительность одной секунды.
«Сегодняшние часы действительно потрясающие», – говорит Вулетик. "У них было бы меньше минуты, если бы они бежали после Большого взрыва – это стабильность лучших часов, которые существуют сегодня.
Мы надеемся пойти еще дальше."
Точность атомных часов повышается по мере того, как все больше и больше атомов колеблются в облаке. Точность обычных атомных часов пропорциональна квадратному корню из числа атомов: например, часы с в девять раз большим количеством атомов будут только в три раза точнее. Если бы эти же атомы были запутаны, точность часов могла бы быть прямо пропорциональна количеству атомов – в данном случае в девять раз точнее.
Чем больше количество запутанных частиц, тем лучше хронометраж атомных часов.
Улавливание квантового шума
Ученым до сих пор удавалось запутывать большие группы атомов, хотя большинство попыток приводили к запутыванию только между парами в группе. Только одна команда успешно запутала около 100 атомов – это самая большая взаимная запутанность на сегодняшний день и лишь небольшая часть всего атомного ансамбля.
Теперь Вулетич и его коллеги с помощью очень слабого лазерного излучения успешно создали взаимную запутанность между 3000 атомов, практически всеми атомами в ансамбле, вплоть до импульсов, содержащих один фотон. По словам Вулетика, чем слабее свет, тем лучше, поскольку он с меньшей вероятностью разрушит облако. «Система остается в относительно чистом квантовом состоянии», – говорит он.
Исследователи сначала охладили облако атомов, затем захватили их в лазерную ловушку и послали слабый лазерный импульс через облако.
Затем они настраивают детектор для поиска определенного фотона в луче. Вулетик рассуждал, что если фотон прошел через облако атомов без каких-либо событий, его поляризация или направление колебаний остались бы прежними. Если, однако, фотон взаимодействует с атомами, его поляризация изменяется незначительно – это признак того, что на него действует квантовый «шум» в ансамбле вращающихся атомов, причем шум представляет собой разницу в количестве атомов, вращающихся по часовой стрелке. и против часовой стрелки.
«Время от времени мы наблюдаем исходящий фотон, электрическое поле которого колеблется в направлении, перпендикулярном направлению входящих фотонов», – говорит Вулетич. «Когда мы обнаруживаем такой фотон, мы знаем, что это должно быть вызвано атомным ансамблем, и, что довольно удивительно, это обнаружение порождает очень сильно запутанное состояние атомов."
Юджин Пользик, профессор квантовой оптики в Институте Нильса Бора в Копенгагене, считает успешное взаимное запутывание атомов группой как «замечательное достижение."
«Этот метод значительно расширяет возможности для создания и работы с неклассическими, запутанными состояниями атомных ансамблей», – говорит Ползик, не участвовавший в исследовании. "Таким образом, он может быть полезен для часов, квантового измерения магнитных полей и квантовой связи."
Вулетич и его коллеги в настоящее время используют технику однофотонного обнаружения для создания современных атомных часов, которые, как они надеются, преодолеют так называемый «стандартный квантовый предел» – предел точности измерений. квантовые системы. Вулетик говорит, что нынешняя структура группы может стать шагом к развитию еще более сложных запутанных состояний.
«Это конкретное состояние может улучшить атомные часы в два раза», – говорит Вулетик. "Мы стремимся сделать еще более сложные состояния, которые могут пойти дальше."
Это исследование было частично поддержано Национальным научным фондом, Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США и Управлением научных исследований ВВС США.