קפיצה קוונטית: כיצד סחיטה בספין דוחפת גבולות של דיוק השעון האטומי

פיזיקאים פורצים את גבולות השעון האטומי דיוק על ידי שימוש במצבי ספין-סחוט, השגת שליטה פורצת דרך על רעש קוונטי והסתבכות, מה שמוביל לזינוקים פוטנציאליים במטרולוגיה קוונטית.

בעוד שעונים אטומיים הם כבר מכשירי שמירת הזמן המדויקים ביותר ביקום, פיזיקאים עובדים קשה כדי לשפר את הדיוק שלהם עוד יותר. דרך אחת היא על ידי מינוף מצבי ספין סחוטים באטומי שעון. מצבי ספין-סחוט הם מצבים מסובכים שבהם חלקיקים במערכת משתפים פעולה כדי לבטל את הרעש הקוונטי הפנימי שלהם. מצבים אלה, אם כן, מציעים הזדמנויות נהדרות למטרולוגיה משופרת קוונטית מכיוון שהם מאפשרים מדידות מדויקות יותר. עם זאת, מצבי ספין סחוטים במעברים האופטיים הרצויים עם מעט רעש חיצוני היו קשים להכנה ולתחזוקה.

אחת הדרכים הספציפיות ליצור מצב סחיטה בספין, או סחיטה, היא על ידי הצבת אטומי השעון לתוך חלל אופטי, קבוצת מראות שבה האור יכול לקפוץ קדימה ואחורה פעמים רבות. בחלל, אטומים יכולים לסנכרן את שלהם פוטון פליטות ופולטות פרץ אור בהיר הרבה יותר מכל אחד אָטוֹם לבד, תופעה המכונה סופר-קרינה. בהתאם לאופן השימוש בקרינת-על, הוא יכול להוביל להסתבכות, או לחילופין, הוא יכול במקום זאת לשבש את המצב הקוונטי הרצוי.

במחקר קודם, שנעשה בשיתוף פעולה בין JILA ו-NIST Fellows, אנה מריה ריי וג'יימס תומפסון, גילו החוקרים כי אטומים רב-שכבתיים (עם יותר משני מצבי אנרגיה פנימיים) מציעים הזדמנויות ייחודיות לרתום פליטת קרינת-על על-ידי גרימת האטומים ל לבטל את הפליטות אחד של השני ולהישאר חשוך.

כעת, דווח בצמד עיתונים חדשים שפורסמו ב מכתבי סקירה פיזית ו סקירה פיזית א', ריי והצוות שלה גילו שיטה לא רק ליצור מצבים אפלים בחלל, אלא יותר מכך, לגרום למצבים אלה לסחוט. הממצאים שלהם יכולים לפתוח הזדמנויות יוצאות דופן ליצירת שעונים סבוכים, שיכולים לדחוף את גבול המטרולוגיה הקוונטית בצורה מרתקת.

מתגלגל לתוך מצב אפל ברכבת הרים סופרקרדיאנט

במשך כמה שנים, ריי והצוות שלה בחנו את האפשרות לרתום את קרינת העל על ידי יצירת מצבים אפלים בתוך חלל. מכיוון שמצבים אפלים הם תצורות ייחודיות שבהן הנתיבים הרגילים של פליטת האור מפריעים באופן הרסני, מצבים אלה אינם פולטים אור. ריי וצוותה הראו שניתן לממש מצבים אפלים כאשר אטומים שהוכנו במצבים ראשוניים מסוימים הונחו בתוך חלל. מוכנים בדרך זו, המצבים הקוונטיים יכולים להישאר אטומים להשפעות של קרינת-על או פליטת אור לתוך החלל. האטומים עדיין יכלו לפלוט אור מחוץ לחלל, אבל בקצב איטי בהרבה מקרינת-על.

חוקר הפוסט-דוקטורט לשעבר של JILA Asier Pineiro Orioli, החוקר הראשי במחקר הקודם עם תומפסון, וגם תורם לשני המחקרים שפורסמו לאחרונה, מצא דרך פשוטה להבין את הופעתו של מצב אפל בחלל במונחים של מה שהם כינו פוטנציאל זוהר על.

ריי מפרט: "אנחנו יכולים לדמיין את פוטנציאל הקרינה העל כרכבת הרים שבה נוסעים אטומים. כשהם נופלים במורד הגבעה, הם פולטים אור באופן קולקטיבי, אבל הם יכולים להיתקע כשהם מגיעים לעמק. בעמקים, האטומים יוצרים את המצבים האפלים ומפסיקים לפלוט אור לתוך החלל".
בעבודתם הקודמת עם תומפסון, חוקרי JILA מצאו שהמצבים האפלים חייבים להיות לפחות מעט מסובכים.

"השאלה שכוונתנו להתייחס אליה בשתי העבודות החדשות היא האם הן יכולות להיות גם אפלות וגם מסובכות מאוד", מסביר הסופר הראשון Bhuvanesh Sundar, חוקר פוסט-דוקטורט לשעבר של JILA. "החלק המרגש הוא שלא רק שמצאנו שהתשובה היא כן, אלא שסוגים אלה של מצבים סחוטים הם די פשוטים להכנה."

יצירת מצבים אפלים סבוכים מאוד

במחקרים החדשים, החוקרים גילו שתי דרכים אפשריות להכין את האטומים במצבי ספין סחוטים מאוד. דרך אחת הייתה על ידי הברקת האטומים בלייזר כדי להמריץ אותם מעל מצב הקרקע שלהם ואז הצבתם בנקודות מיוחדות על פוטנציאל הקרינה העל, המכונה גם נקודות אוכף. בנקודות האוכף, החוקרים נותנים לאטומים להירגע בחלל על ידי כיבוי הלייזר, ומעניין, האטומים מעצבים מחדש את פיזור הרעש שלהם ונעשים סחוטים מאוד.

"נקודות האוכף הן עמקים שבהם לפוטנציאל יש אפס עקמומיות ואפס שיפוע בו זמנית", מפרט ריי. "אלו נקודות מיוחדות מכיוון שהאטומים כהים אך על סף הפיכתם לא יציבים ולכן נוטים לעצב מחדש את חלוקת הרעש שלהם כדי להילחץ."

השיטה המוצעת האחרת כללה העברה של מצבי קרינה על למצבים אפלים. כאן, הצוות מצא גם נקודות מיוחדות אחרות שבהן האטומים קרובים לנקודות "בהירות" מיוחדות – לא בעמק של רכבת ההרים, אלא בנקודות עם אפס עקמומיות – שבהן משחק הגומלין בין קרינת-על ללייזר חיצוני מייצר סחיטה בספין. .

"הדבר המסודר הוא שניתן להעביר את סחיטת הספין שנוצרת בנקודות הבהירות הללו למצב חשוך שבו, לאחר יישור מתאים, נוכל לכבות את הלייזר ולשמור על הסחיטה", מוסיף סונדאר.

העברה זו פועלת על ידי הנעת האטומים תחילה לתוך עמק בעל פוטנציאל הקרינה העל ולאחר מכן שימוש בלייזרים עם קיטובים מתאימים (או כיווני תנודות אור) כדי ליישר קוהרנטיות את הכיוונים הסחוטים, מה שהופך את המצבים הסחוטים לחסינים בפני קרינה על.

העברה של מצבים סחוטים למצבים חשוכים לא רק שימרה את מאפייני הרעש המופחתים של המצבים הסחוטים, אלא גם הבטיחה את הישרדותם בהיעדר מונע על ידי לייזר חיצוני, גורם מכריע ליישומים מעשיים במטרולוגיה קוונטית.

בעוד שהמחקר שפורסם ב-Physical Review Letters השתמש רק בקיטוב אחד של אור הלייזר כדי לגרום לסחיטת ספין, ויצר שני מצבי סחיטה, המאמר Physical Review A לקח את הסימולציה הזו קדימה על ידי שימוש בשני הקיטובים של אור הלייזר, וכתוצאה מכך ארבעה מצבי סחיטה בספין (שני מצבים לכל קיטוב).

"בשני המאמרים הללו, שקלנו אטומים מרובי רמות עם רמות פנימיות רבות", מרחיב פיניירו אוריולי, "וקשה יותר לדמות שיש רמות פנימיות רבות מאשר בעלות שתי רמות, שלעתים קרובות נחקר בספרות. אז, פיתחנו סט כלים כדי לפתור את המערכות הרב-שכבות הללו. פיתחנו נוסחה לחישוב הסתבכות שנוצרה מהמצב ההתחלתי".

שיפור במטרולוגיה קוונטית

לממצאי המחקרים הללו יכולות להיות השלכות מרחיקות לכת על שעונים אטומיים. על ידי התגברות על מגבלות הקרנת העל באמצעות יצירת מצבים סבוכים אפלים, הפיזיקאים או מאחסנים את המצבים המסובכים תוך שימוש באטומים כזיכרון (המאפשר שליפת מידע ממצבים אלה) או מחדירים את המצב המסובך לשעון או רצף אינטרפרומטר עבור קוונטי. -מדידות משופרות.

מחקר זה נתמך על ידי משרד האנרגיה של ארה"ב, משרד המדע, המרכז הלאומי לחקר מדעי מידע קוונטי, מאיץ מערכות קוונטיות, והמכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST).