Первоначально Эйнштейн называл запутанность созданием жутких действий на расстоянии — странным эффектом квантовой механики, когда то, что происходит с одним атомом, каким-то образом влияет на другой атом где-то еще.
Запутанность лежит в основе долгожданных квантовых компьютеров, квантовых симуляторов и квантовых датчиков.
Второй довольно жуткий аспект квантовой механики — делокализация, то есть тот факт, что один атом может находиться более чем в одном месте одновременно.
Группа Томпсона объединила жуткий эффект запутанности и делокализации, чтобы создать интерферометр материи и волны, способный обнаруживать ускорения с точностью, превышающей стандартный квантовый предел (предел точности экспериментального измерения на квантовом уровне). время.
Удваивая жуткость, будущие квантовые сенсоры смогут обеспечивать более точную навигацию, исследовать необходимые природные ресурсы, более точно определять фундаментальные константы, такие как тонкая структура и гравитационные константы, более точно искать темную материю или, может быть, даже одну из них. день обнаружить гравитационные волны.
Чтобы запутать два объекта, их обычно нужно поднести очень-очень близко друг к другу, чтобы они могли взаимодействовать.
Группа Томпсона научилась запутывать от тысяч до миллионов атомов, даже если они находятся на расстоянии нескольких миллиметров или более друг от друга.
Они делают это, используя свет, отражающийся между зеркалами, называемыми оптическими резонаторами, чтобы позволить информации прыгать между атомами и связывать их в запутанное состояние.
Используя этот уникальный подход, основанный на свете, они создали и наблюдали некоторые из наиболее сильно запутанных состояний, когда-либо созданных в любой системе, будь то атомная, фотонная или твердотельная.
Используя эту технику, группа разработала два различных экспериментальных подхода, оба из которых они использовали в своей недавней работе.
В первом подходе, называемом квантовым измерением без разрушения, они предварительно измеряют квантовый шум, связанный с их атомами, и просто вычитают квантовый шум из своего окончательного измерения.
Во втором подходе свет, введенный в полость, заставляет атомы подвергаться одноосному скручиванию, процессу, в котором квантовый шум каждого атома коррелирует с квантовым шумом всех других атомов, так что они могут совместно стать тише. .
«Атомы похожи на детей, которые шикают друг на друга, чтобы замолчать, чтобы они могли услышать о вечеринке, которую им обещал учитель, но здесь это запутанность, которая заставляет шикать», — говорит Томпсон.
Одним из самых точных и точных квантовых датчиков на сегодняшний день является интерферометр материи-волны.
Идея состоит в том, что можно использовать импульсы света, чтобы заставить атомы одновременно двигаться и не двигаться, поглощая и не поглощая лазерный свет.
Это заставляет атомы с течением времени одновременно находиться в двух разных местах сразу.
Как объяснил аспирант Ченги Луо: «Мы направляем лазерные лучи на атомы, поэтому мы фактически разделяем квантовый волновой пакет каждого атома на две части, другими словами, частица фактически существует в двух отдельных пространствах одновременно».
Более поздние импульсы лазерного света затем обращают вспять процесс, объединяющий пакеты квантовых волн, так что любые изменения в окружающей среде, такие как ускорения или вращения, могут быть обнаружены с помощью измеримой интерференции, происходящей с двумя частями пакета атомных волн, во многом подобно делается со световыми полями в обычных интерферометрах, а здесь с волнами де Бройля, или волнами, состоящими из материи.
Команда аспирантов JILA выяснила, как заставить все это работать внутри оптического резонатора с высокоотражающими зеркалами.
Они могли измерить, как далеко атомы упали вдоль вертикально ориентированной полости из-за гравитации в квантовой версии гравитационного эксперимента Галилея, сбрасывающего предметы с Пизанской башни, но со всеми преимуществами точности и аккуратности, которые дает квантовая механика.
Изучив, как управлять интерферометром волн материи внутри оптического резонатора, группа аспирантов во главе с Ченги Луо и Грэмом Гривом смогла затем воспользоваться взаимодействием света и материи, чтобы создать запутанность между различными атомами, чтобы создать более тихое и точное измерение ускорения свободного падения.
Это первый случай, когда кому-либо удалось наблюдать интерферометр материи-волны с точностью, превышающей стандартный квантовый предел точности, установленный квантовым шумом незапутанных атомов.
Благодаря повышенной точности такие исследователи, как Луо и Томпсон, видят много будущих преимуществ использования запутанности в качестве ресурса в квантовых датчиках.
Томпсон говорит: «Я думаю, что однажды мы сможем ввести запутанность в интерферометры материи и волн для обнаружения гравитационных волн в космосе или для поиска темной материи — вещи, которые исследуют фундаментальную физику, а также устройства, которые можно использовать для любых целей. повседневных приложений, таких как навигация или геодезия».
Благодаря этому важному экспериментальному прорыву Томпсон и его команда надеются, что другие будут использовать этот новый подход с использованием запутанного интерферометра, чтобы привести к другим достижениям в области физики.
С оптимизмом Томпсон говорит: «Научившись использовать и контролировать все жуткие явления, о которых мы уже знаем, возможно, мы сможем открыть новые жуткие вещи во Вселенной, о которых мы еще даже не думали!»
