פתיחת סודות קוונטיים עם הסתבכות אטומית סוחטת

חוקרים פיתחו שיטות לסבך מספר רב של חלקיקים, ולשפר את הדיוק והמהירות של מדידות קוונטיות. ההתקדמות הללו עשויה לחולל מהפכה בחיישנים קוונטיים ושעונים אטומיים, עם יישומים פוטנציאליים במחקר פיזיקה בסיסי.

חוקרי JILA פותחים אפשרויות חדשות עבור חיישנים קוונטיים, שעונים אטומיים ומבחנים של פיזיקה בסיסית, ופיתחו דרכים חדשות ל"סבוך" או לקשר בין תכונותיהם של מספר גדול של חלקיקים. תוך כדי כך הם המציאו דרכים למדוד קבוצות גדולות של אטומים בצורה מדויקת יותר אפילו בסביבות מפריעות ורועשות.

הטכניקות החדשות מתוארות בצמד מאמרים שפורסמו ב טֶבַע.⁽¹⁾ JILA הוא מכון משותף של המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST) ואוניברסיטת קולורדו בולדר.

קסם ההסתבכות

"הסתבכות היא הגביע הקדוש של מדע המדידה", אמרה אנה מריה ריי, פיזיקאית תיאורטית ועמיתת JILA ו-NIST. "אטומים הם החיישנים הטובים ביותר אי פעם. הם אוניברסליים. הבעיה היא שהם אובייקטים קוונטיים, אז הם רועשים באופן מהותי. כאשר אתה מודד אותם, לפעמים הם נמצאים במצב אנרגיה אחד, לפעמים הם במצב אחר. כשאתה מסתבך אותם, אתה יכול להצליח לבטל את הרעש".

כאשר אטומים מסתבכים, מה קורה לאחד אָטוֹם משפיע על כל האטומים המסובכים אליו. העובדה שיש עשרות – טוב יותר, מאות – של אטומים סבוכים הפועלים יחד מפחיתה את הרעש, והאות מהמדידה הופך ברור יותר, בטוח יותר. אטומים סבוכים גם מפחיתים את מספר הפעמים שמדענים צריכים להריץ את המדידות שלהם, ומשיגים תוצאות בפחות זמן.

אחד האמצעים להסתבכות הוא תהליך שנקרא סחיטה בספין. כמו כל עצמים המצייתים לכללי הפיזיקה הקוונטית, אטומים יכולים להתקיים במספר מצבי אנרגיה בו-זמנית, יכולת המכונה סופרפוזיציה. סחיטת ספין מפחיתה את כל אותם מצבי סופרפוזיציה אפשריים באטום לאפשרויות בודדות בלבד. זה כמו לסחוט בלון. כאשר אתה לוחץ את הבלון, האמצע מתכווץ והקצוות הנגדיים הופכים גדולים יותר. כאשר אטומים נדחסים בספין, טווח המצבים האפשריים שבהם הם יכולים להיות מצטמצמים בכיוונים מסוימים ומתרחב באחרים.

התגברות על מרחק באינטראקציה אטומית

אבל קשה יותר לסבך אטומים שנמצאים רחוק יותר זה מזה. לאטומים יש אינטראקציות חזקות יותר עם אטומים הקרובים ביותר אליהם; ככל שהאטומים רחוקים יותר, האינטראקציות ביניהם חלשות יותר.

תחשוב על זה כמו אנשים שמדברים במסיבה צפופה. האנשים הקרובים ביותר זה לזה יכולים לנהל שיחה, אבל אלה מעבר לחדר בקושי שומעים אותם, והמידע הולך לאיבוד לאורך הקו. מדענים רוצים שכל מפלגת האטומים תדבר זה עם זה בו זמנית. פיזיקאים ברחבי העולם כולם בוחנים דרכים שונות להשיג את ההסתבכות הזו.

"מטרה מרכזית בקהילה היא לייצר מצבים סבוכים כדי לקבל מדידות דיוק גבוהות יותר בפרק זמן קצר יותר", אמר אדם קאופמן, פיזיקאי ועמית JILA.

קאופמן ורי עבדו יחד על הצעות להשגת הסתבכות זו, אחת מהן ריי ומשתפי הפעולה שלה באוניברסיטת אינסברוק באוסטריה הדגימו.

דחיפת גבולות עם ניסויי יונים

בניסוי זה, הצוות סידר 51 יוני סידן במלכודת והשתמש בלייזרים כדי לגרום לאינטראקציות ביניהם. הסיבה לכך היא שהלייזר מעורר פונונים, רעידות כמו גלי קול בין האטומים. הפונונים האלה מתפשטים לאורך קו האטומים ומקשרים אותם יחד. בניסויים קודמים, הקישורים הללו תוכננו להיות סטטיים, כך שיון יכול לדבר רק עם קבוצה ספציפית של יונים כאשר הוא מואר על ידי הלייזרים.

על ידי הוספת שדות מגנטיים חיצוניים, ניתן היה להפוך את הקישורים לדינמיים, גדלים ומשתנים עם הזמן. המשמעות היא שיון שיכול לדבר רק עם קבוצה אחת של יונים בהתחלה יכול לדבר עם קבוצה אחרת, ובסופו של דבר, הוא היה מסוגל לדבר עם כל שאר היונים במערך. זה מתגבר על בעיית המרחק הזו, אומר ריי, והאינטראקציות היו חזקות לאורך כל קו האטומים. כעת כל האטומים עבדו יחד, וכולם יכלו לדבר אחד עם השני מבלי לאבד את המסר בדרך.

תוך פרק זמן קצר, היונים הסתבכו ויצרו מצב סחוט ספין, אבל עם עוד קצת זמן, הם הפכו למה שנקרא מצב חתול. מצב זה נקרא על שם ניסוי המחשבה המפורסם של ארווין שרדינגר על סופרפוזיציה, שבו הציע שחתול שנלכד בקופסה הוא גם חי וגם מת עד שהקופסה נפתחת וניתן לצפות במצבה. עבור אטומים, מצב חתול הוא סוג מיוחד של סופרפוזיציה שבה האטומים נמצאים בשני מצבים מנוגדים בצורה דימטרית, כמו למעלה ולמטה, בו זמנית. מדינות חתולים מסובכות מאוד, מציין ריי, מה שהופך אותן לגדולות במיוחד עבור מדעי המדידה.

כיוונים עתידיים ושיפור שעונים אופטיים

השלב הבא יהיה לנסות את הטכניקה הזו עם מערך דו מימדי של אטומים, להגדיל את מספר האטומים כדי לשפר את משך הזמן שהם יכולים להישאר במצבים סבוכים אלה. בנוסף, זה עשוי לאפשר למדענים לבצע מדידות בצורה מדויקת יותר והרבה יותר מהירה.

הסתבכות סחיטה בספין יכולה להועיל גם לשעונים אטומיים אופטיים, שהם כלי מדעי מדידה חשוב. קאופמן וקבוצתו ב-JILA, יחד עם משתפי פעולה בקבוצה של עמית NIST/JILA Jun Ye, בדקו שיטה אחרת במחקר אחר בגיליון זה של טֶבַע.⁽²⁾

החוקרים העמיסו 140 אטומי סטרונציום לתוך סריג אופטי, מישור אור יחיד המחזיק את האטומים. הם השתמשו באלומות אור מבוקרות עדינות, הנקראות פינצטה אופטית, כדי למקם את האטומים לתת-קבוצות קטנות של 16 עד 70 אטומים כל אחת. עם לייזר אולטרה סגול בעל הספק גבוה, הם עוררו את האטומים לסופרפוזיציה של מצב ה"שעון" הרגיל שלהם ומצב רידברג בעל אנרגיה גבוהה יותר. טכניקה זו נקראת חבישה של Rydberg.

אטומי מצב השעון הם כמו האנשים השקטים במסיבה הצפופה; הם לא מקיימים אינטראקציה חזקה עם אחרים. אבל עבור אטומים במצב Rydberg, האלקטרון החיצוני ביותר נמצא כל כך רחוק ממרכז האטום שהאטום למעשה גדול מאוד בגודלו, מה שמאפשר לו ליצור אינטראקציה חזקה יותר עם האטומים האחרים.

עכשיו כל המפלגה מדברת. בעזרת טכניקת סחיטה זו, הם יכולים ליצור הסתבכות על פני כל המערך של 70 אטומים.

החוקרים השוו מדידות תדירות בין קבוצות של 70 אטומים ומצאו כי הסתבכות זו שיפרה את הדיוק מתחת לגבול עבור חלקיקים לא מסובכים, המכונה הגבול הקוונטי הסטנדרטי.

מדידות מהירות ומדויקות יותר יאפשרו לשעונים הללו להיות חיישנים טובים יותר לחיפוש אחר חומר אפל ולייצר מדידות זמן ותדר טובות יותר.

למידע נוסף על מחקר זה, ראה הסתבכות חישה משופרת סוללת דרך לחיישנים קוונטיים מתקדמים.

1. "חישה משופרת קוונטית על מעברים אופטיים באמצעות אינטראקציות בטווח סופי" מאת יוהנס פרנקה, שון ר. מולאידי, רפאל קאוברוגר, פלוריאן קרנזל, ריינר בלאט, אנה מריה ריי, מאנוג' ק. ג'ושי וכריסטיאן פ. רוס, 30 באוגוסט 2023, טֶבַע.
   DOI: 10.1038/s41586-023-06472-z
2. "מימוש סחיטה של ​​ספין עם אינטראקציות של רידברג בשעון אופטי" מאת ויליאם ג'יי אקנר, נלסון דארקווה אופונג, אלק קאו, אהרון וו. יאנג, וויליאם ר. מילנר, ג'ון מ. רובינסון, ג'ון יה ואדם מ. קאופמן, 30 באוגוסט 2023, טֶבַע.
   DOI: 10.1038/s41586-023-06360-6