שעונים אטומיים עולים על גבולות הדיוק הבסיסיים באמצעות הסתבכות קוונטית

פריצת הדרך של JILA בשעונים אטומיים אופטיים משתמשת בהסתבכות קוונטית כדי לעבור את גבולות הדיוק הבסיסיים, מציבה סטנדרט חדש בקביעת זמן ופותחת אפיקים לגילוי מדעי.

מבחינה היסטורית, JILA (מכון משותף שהוקם על ידי המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST) ואוניברסיטת קולורדו בולדר) הייתה מובילה עולמית בתחום שמירת זמן מדויקת באמצעות שעונים אטומיים אופטיים. שעונים אלה רותמים את התכונות הפנימיות של אטומים כדי למדוד זמן עם דיוק שאין שני לו דיוקהמייצג קפיצת מדרגה משמעותית במסע שלנו לכמת את הממדים החמקמקים ביותר: זמן.

עם זאת, לדיוק של שעונים אלה יש מגבלות יסוד, כולל "רצפת הרעש", המושפעת מ"רעש ההקרנה הקוונטית" (QPN). "זה נובע מסטטיסטיקת הספין של הקיוביטים הבודדים, הטבע הקוונטי האמיתי של האטומים הנבדקים", פירטה הסטודנטית לתואר שני ב-JILA מאיה מיקלוס. השוואות שעון מתקדמות, כמו אלו שבימוי JILA ו-NIST עמית והפרופסור לפיזיקה ג'ון יה מאוניברסיטת קולורדו בבולדר, מתקרבות יותר ויותר לגבול רצפת הרעש הבסיסי הזה. עם זאת, ניתן לעקוף את הגבול הזה על ידי יצירת הסתבכות קוונטית בדגימות האטומיות, מה שמגביר את יציבותן.

כעת, הצוות של Ye, בשיתוף עם JILA ועמית NIST ג'יימס ק. תומפסון, השתמש בתהליך ספציפי המכונה סחיטה של ​​ספין כדי ליצור הסתבכות קוונטית, וכתוצאה מכך שיפור בביצועי השעון הפועלים ברמת היציבות של 10-17. מערך הניסוי החדש שלהם, שפורסם ב פיזיקת הטבעאפשרה גם לחוקרים להשוות ישירות בין שני הרכבי ספין סחוטים עצמאיים כדי להבין את רמת הדיוק הזו במדידת זמן, רמה שמעולם לא הגיעה אליה עם שעון סריג אופטי סחוט בספין.

לפיתוח השעונים האופטיים האופטיים המשופרים הללו יש השלכות מרחיקות לכת. מעבר לתחום שמירת הזמן, יש להם יתרונות פוטנציאליים לשימוש במחקרים מדעיים שונים, לרבות בדיקת עקרונות פיזיקה בסיסיים, שיפור טכנולוגיות ניווט ואולי תרומה לאיתור של גלי כבידה. "התקדמות של ביצועי שעון אופטי עד ומעבר לגבולות היסודיים שטבע הוא כבר עיסוק מדעי מעניין", הסביר הסטודנט לתואר שני ב-JILA, ג'ון רובינסון, המחבר הראשון של המאמר. "כשחושבים איזו פיזיקה אתה יכול לחשוף עם הרגישות המשופרת, זה מצייר תמונה מאוד מרגשת לעתיד."

אנסמבל רועש של אטומים

שעונים אטומיים אופטיים פועלים לא דרך גלגלי שיניים ומטוטלות אלא דרך המקצבים המתוזמרים בין אטומים ולייזר עירור.

QPN מהווה מכשול מהותי לדיוק של שעונים אלה. תופעה זו נובעת מאי הוודאות המובנית הקיימת במערכות קוונטיות. בהקשר של שעונים אטומיים אופטיים, QPN מתבטא כהפרעה עדינה אך מתפשטת הדומה לרעש רקע שיכול לטשטש את בהירות מדידת הזמן.

"מכיוון שבכל פעם שאתה מודד מצב קוונטי, הוא מוקרן לרמת אנרגיה בדידה, הרעש הקשור למדידות האלה נראה כמו הטלת צרור מטבעות וספירה אם הם מופיעים כראשים או זנבות", אמר מיקלוש. "אז, אתה מקבל את חוק קנה המידה הזה של מספרים גדולים שבו הדיוק של המדידה שלך גדל עם השורש הריבועי של N, שלך אָטוֹם מספר. ככל שתוסיף יותר אטומים, כך היציבות של השעון שלך טובה יותר. עם זאת, יש לכך גבולות מכיוון שבעבר צפיפויות מסוימות, אתה יכול לקבל שינויי אינטראקציה תלויי צפיפות, אשר פוגעים ביציבות השעון שלך."

יש גם מגבלות מעשיות על המספר שניתן להשיג של אטומים בשעון. עם זאת, ניתן לנצל הסתבכות כמשאב קוונטי כדי לעקוף את רעש ההקרנה הזה. Miklos הוסיף, "השורש הריבועי הזה של קנה מידה N מתקיים אם החלקיקים האלה אינם מתואמים. אם אתה יכול ליצור הסתבכות במדגם שלך, אתה יכול להגיע לקנה מידה אופטימלי שגדל עם N במקום זאת."

כדי להתמודד עם האתגר שמציב QPN, החוקרים השתמשו בטכניקה המכונה סחיטה בספין. בתהליך זה, המצבים הקוונטיים של האטומים מותאמים בעדינות. בעוד שאי-הוודאות של מדידה קוונטית מצייתת תמיד לעקרון אי-הוודאות של הייזנברג, ספינים אלו "נסחטים" באמצעות התערבויות מדויקות, ומפחיתות את אי-הוודאות בכיוון אחד תוך הגברתה בכיוון אחר.

מימוש סחיטת ספין בשעונים אופטיים הוא הישג חדש יחסית, אך נעשה שימוש במשאבים סבוכים באופן דומה כמו אור סחוט בתחומים אחרים. "LIGO (The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) כבר השתמשו בסחיטה של ​​מצבי ואקום כדי לשפר את המדידות שלהם של אורכי אינטרפרומטר לזיהוי גלי כבידה", הסביר תלמיד בוגר JILA Yee Ming Tso.

יצירת "מעלית" קוונטית

כדי להשיג את סחיטת הספין, הצוות יצר מערך מעבדה חדשני הכולל סריג אנכי, 1D נע, המצטלב עם חלל אופטי (תהוד המורכב משתי מראות) לאורך הכיוון האופקי. החוקרים השתמשו בקרני הלייזר של הסריג כדי להזיז את ההרכבים האטומיים למעלה ולמטה בכל הסריג כמו מעלית, כאשר כמה קבוצות של אטומים, או תת-אנסמבלים, נכנסים לחלל.

פרויקט זה נוצר בהשראת שיתוף פעולה שנערך לאחרונה בין קבוצת המחקר Ye ועמית JILA אדם קאופמן, שחקר גם סחיטה בספין במערכות מעבדה אחרות.
"עד לנקודה זו, סחיטת ספין בשעונים אופטיים יושמה רק בניסויים של הוכחת עקרונות, שבהם הרעש מלייזר השעון הסתיר את האות", אמר רובינסון. "רצינו לראות את ההשפעה החיובית של סחיטת ספין באופן ישיר, ולכן הפכנו את הסריג האופטי למעלית הזו כך שנוכל באופן עצמאי לסחוט ולהשוות מספר תת-הרכבים, ובדרך זו להסיר את ההשפעה השלילית של לייזר שעון." מערך זה גם אפשר לחוקרים להראות שההסתבכות הקוונטית שרדה במהלך ההובלה של תת-הרכבים האטומיים הללו.

באמצעות החלל האופטי, החוקרים עשו מניפולציות על האטומים כדי ליצור מצבים סחוטים בספין. זה הושג על ידי מדידת המאפיינים הקולקטיביים של האטומים במה שמכונה "קוונטי אי-הרס" (QND). QND לוקח מידה של תכונה של מערכת קוונטית כדי שהמדידה לא תפריע לתכונה זו. שתי מדידות QND חוזרות ומציגות את אותו רעש קוונטי, ועל ידי לקיחת ההפרש, אפשר ליהנות מביטול הרעש הקוונטי.

במערכת משולבת אטום-חלל, האינטראקציה בין האור החוקר את החלל האופטי לבין האטומים הממוקמים בחלל אפשרה לחוקרים להקרין את האטומים למצב סחוט ספין עם השפעה מופחתת של אי ודאות QPN. לאחר מכן השתמשו החוקרים בסריג דמוי המעלית כדי לערבב קבוצה עצמאית של אטומים לתוך החלל, ויצרו אנסמבל שני סחוט ספין בתוך אותו מנגנון ניסוי.

השוואת שעון לשעון

חידוש מרכזי במחקר זה היה השוואה ישירה בין שני תת-ההרכבים האטומיים. הודות לסריג האנכי, החוקרים יכלו להחליף אילו תת-אנסמבלים אטומיים נמצאים בחלל, להשוות ישירות את הביצועים שלהם על ידי מדידת הזמן לסירוגין כפי שצוין על ידי כל תת-אנסמבל סחוט.

"בהתחלה ביצענו השוואת שעון קלאסית של שני תת-אנסמבלים אטומיים ללא סחיטת ספין", הסביר טסו. "ואז סחטנו את שני תתי הרכבים והשווינו את הביצועים של שני השעונים הסחוטים בספין. בסופו של דבר, הגענו למסקנה שצמד השעונים הסחוטים בספין התפקדו טוב יותר מצמד השעונים הקלאסיים מבחינת יציבות בשיפור של כ-1.9 dB (שיפור של 25% בערך). זה די הגון בתור התוצאה הראשונה של מערך הניסוי שלנו."

שיפור היציבות הזה נמשך גם כשהביצועים של השעונים הגיעו לרמה של יציבות תדרים שבריריים של 10-17, אמת מידה חדשה לביצועי שעון סריג אופטי סחוט. "בדור אחד של הניסוי הזה, סגרנו בערך באמצע את הפער בין היציבות של השעונים הסחוטים הטובים ביותר בספין לבין השעונים הקלאסיים הטובים ביותר למדידה מדויקת", פירט מיקלוש, שעם שאר הצוות מקווה לשפר את הערך הזה עוד יותר.

חקר מעבר לקביעת זמן

עם השוואה בין האנסמבל הכפול, מערך הניסוי הזה מסמן צעד משמעותי לקראת רתימת מכניקת הקוונטים להתקדמות מעשית ותיאורטית, כולל בתחומים מגוונים כמו ניווט לפיזיקה בסיסית, המאפשר בדיקות של תיאוריות כבידה ותרומה לחיפוש אחר פיזיקה חדשה. Miklos, Tso ושאר הצוות מקווים שההתקנה החדשה שלהם תאפשר להם לצלול עמוק יותר לתוך יסודות הכבידה.

"המדידות המדויקות של ההסטה לאדום הכבידה, שנעשתה לאחרונה במעבדה שלנו, היא משהו שנרצה לבחון עוד יותר באמצעות התכנון הניסיוני הזה," הוסיף מיקלוש. "אני מקווה שזה יכול לספר לנו יותר על היקום שבו אנו חיים."

מחקר זה מומן בחלקו על ידי משרד האנרגיה הלאומי לחקר מדעי המידע הקוונטי – מאיץ מערכות קוונטיות, משרד חיל האוויר למחקר מדעי, DARPAמלגת הפקולטה של ​​Vannevar Bush, המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST), והקרן הלאומית למדע.