อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์แบบคลื่นสสารที่พันกัน

ทีมนักวิจัยของ JILA และ NIST Fellow James K. Thompson ประสบความสำเร็จ

ในการรวมคุณสมบัติที่ “น่ากลัวที่สุด” สองประการของกลศาสตร์ควอนตัมเข้าด้วยกันเพื่อสร้างเซ็นเซอร์ควอนตัมที่ดีขึ้น: การพัวพันระหว่างอะตอมและการแบ่งแยกอะตอม

เดิมทีไอน์สไตน์อ้างถึงการพัวพันว่าเป็นการสร้างการกระทำที่น่ากลัวในระยะไกล ซึ่งเป็นผลกระทบที่แปลกประหลาดของกลศาสตร์ควอนตัมซึ่งสิ่งที่เกิดขึ้นกับอะตอมหนึ่งมีอิทธิพลต่ออะตอมอื่นในที่อื่น ความยุ่งเหยิงเป็นหัวใจของความหวังสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัม เครื่องจำลองควอนตัม และเซ็นเซอร์ควอนตัม

กลศาสตร์ควอนตัมที่ค่อนข้างน่ากลัวประการที่สองคือการกระจายตัว ความจริงที่ว่าอะตอมเดียวสามารถอยู่ในที่มากกว่าหนึ่งแห่งในเวลาเดียวกัน ตามที่อธิบายไว้ในบทความที่ตีพิมพ์เมื่อเร็ว ๆ นี้ในNatureกลุ่ม Thompson ได้รวมเอาความน่าขนลุกของทั้งการพัวพันและการแยกตัวออกจากกันเพื่อให้ได้มาตรอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์แบบคลื่นสสารที่สามารถตรวจจับความเร่งด้วยความแม่นยำที่เกินขีดจำกัดควอนตัมมาตรฐาน (ขีดจำกัดของความแม่นยำของ การวัดทดลองที่ระดับควอนตัม) เป็นครั้งแรก

เมื่อเพิ่มความน่าขนลุกเป็นสองเท่า เซ็นเซอร์ควอนตัมในอนาคตจะสามารถให้การนำทางที่แม่นยำยิ่งขึ้น สำรวจทรัพยากรธรรมชาติที่จำเป็น กำหนดค่าคงที่พื้นฐานได้แม่นยำยิ่งขึ้น เช่น โครงสร้างละเอียดและค่าคงที่โน้มถ่วง ดูสสารมืดได้แม่นยำยิ่งขึ้น หรือแม้แต่ค่าเดียว วันตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง

สร้างความพัวพันในการเข้าไปพัวพันกับวัตถุสองชิ้น โดยทั่วไปแล้วเราต้องนำวัตถุทั้งสองมาใกล้กันมากเพื่อให้สามารถโต้ตอบกันได้ กลุ่มทอมป์สันได้เรียนรู้วิธีพัวพันกับอะตอมหลายล้านถึงหลายล้านอะตอม แม้ว่าจะอยู่ห่างกันเป็นมิลลิเมตรหรือมากกว่า พวกเขาทำเช่นนี้โดยใช้แสงสะท้อนระหว่างกระจกซึ่งเรียกว่าช่องแสงเพื่อให้ข้อมูลข้ามไปมาระหว่างอะตอมและถักให้เป็นสถานะพันกัน ด้วยวิธีการที่ใช้แสงเป็นเอกเทศนี้ พวกเขาได้สร้างและสังเกตสถานะที่พัวพันกันมากที่สุดเท่าที่เคยสร้างมาในระบบใดๆ ไม่ว่าจะเป็นสถานะอะตอม โฟโตนิก หรือสถานะของแข็ง

กลุ่มได้ออกแบบแนวทางการทดลองที่แตกต่างกันสองวิธี ซึ่งทั้งสองวิธีนี้ใช้ในงานล่าสุด ในแนวทางแรกที่เรียกว่าการวัดการไม่ทำลายด้วยควอนตัม พวกเขาทำการวัดล่วงหน้าของเสียงควอนตัมที่เกี่ยวข้องกับอะตอมของพวกมัน และเพียงแค่ลบสัญญาณรบกวนควอนตัมออกจากการวัดขั้นสุดท้าย

ในแนวทางที่สอง แสงที่ฉีดเข้าไปในโพรงจะทำให้อะตอมเกิดการบิดตัวแบบแกนเดียว ซึ่งเป็นกระบวนการที่เสียงควอนตัมของแต่ละอะตอมจะมีความสัมพันธ์กับเสียงควอนตัมของอะตอมอื่นๆ ทั้งหมด เพื่อให้สามารถรวมตัวกันเงียบลงได้ . “อะตอมเป็นเหมือนเด็ก ๆ ที่เบียดเสียดกันเพื่อให้พวกเขาได้ยินเกี่ยวกับงานเลี้ยงที่ครูสัญญาไว้ แต่นี่เป็นสิ่งที่พัวพันกัน” ทอมป์สันกล่าว

อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์คลื่นสสารหนึ่งในเซ็นเซอร์ควอนตัมที่แม่นยำและแม่นยำที่สุดในปัจจุบันคืออินเตอร์เฟอโรมิเตอร์แบบคลื่นสสาร แนวคิดคือใช้พัลส์ของแสงเพื่อทำให้อะตอมเคลื่อนที่ไปพร้อม ๆ กันและไม่เคลื่อนที่โดยมีทั้งแสงเลเซอร์ที่ดูดกลืนและไม่ดูดซับ สิ่งนี้ทำให้อะตอมเมื่อเวลาผ่านไปจะอยู่ในที่ต่างกันสองแห่งพร้อมกัน

เฉิงอี้ หลัว (Chengyi Luo) นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาอธิบายว่า “เราฉายแสงเลเซอร์บนอะตอม ดังนั้นเราจึงแยกแพ็กเก็ตคลื่นควอนตัมของอะตอมแต่ละอันออกเป็นสองส่วน กล่าวคือ อนุภาคมีอยู่จริงในช่องว่างสองช่องในเวลาเดียวกัน” หลังจากนั้นพัลส์ของแสงเลเซอร์จะย้อนกลับกระบวนการนำแพ็กเก็ตคลื่นควอนตัมกลับมารวมกันเพื่อให้การเปลี่ยนแปลงใด ๆ ในสภาพแวดล้อมเช่นความเร่งหรือการหมุนสามารถสัมผัสได้ด้วยจำนวนการรบกวนที่วัดได้ที่เกิดขึ้นกับสองส่วนของแพ็กเก็ตคลื่นอะตอม ทำด้วยสนามแสงในอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ปกติ แต่ที่นี่มีคลื่นเดอบรอกลี หรือคลื่นที่สร้างจากสสาร

ทีมนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของ JILA ได้ค้นพบวิธีการทำงานทั้งหมดนี้ภายในช่องแสงที่มีกระจกสะท้อนแสงสูง พวกเขาสามารถวัดได้ว่าอะตอมตกลงมาไกลแค่ไหนตามโพรงในแนวตั้งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงในรุ่นควอนตัมของการทดลองแรงโน้มถ่วงของกาลิเลโอที่ทิ้งสิ่งของจากหอเอนเมืองปิซา แต่ด้วยประโยชน์ทั้งหมดของความแม่นยำและความแม่นยำที่มาจากกลศาสตร์ควอนตัม

 

 

 

Releated