Исследователи Массачусетского технологического института использовали систему лазеров, чтобы сначала запутать, а затем обратить вспять эволюцию облака ультрахолодных атомов. Кредит: Симона Коломбо

Квантовые колебания в атомах содержат миниатюрный мир информации. Если ученые смогут точно измерить эти атомные колебания и то, как они развиваются во времени, они смогут отточить точность атомных часов, а также квантовых датчиков, представляющих собой системы атомов, колебания которых могут указывать на присутствие темной материи, проходящей гравитационной волны, или даже новые, неожиданные явления.

Основным препятствием на пути к лучшим квантовым измерениям является шум из классического мира, который может легко подавлять тонкие атомные вибрации, делая любые изменения в этих вибрациях чертовски трудными для обнаружения.

Теперь физики Массачусетского технологического института показали, что они могут значительно усилить квантовые изменения в атомных вибрациях, запустив частицы через два ключевых процесса: квантовую запутанность и обращение времени.

Прежде чем вы начнете покупать DeLoreans, нет, они не нашли способ обратить время вспять. Скорее, физики манипулировали квантово запутанными атомами таким образом, что частицы вели себя так, как если бы они развивались в обратном направлении во времени. По мере того как исследователи эффективно перематывали ленту атомных колебаний, любые изменения в этих колебаниях усиливались таким образом, что их можно было легко измерить.

В статье, опубликованной сегодня в Nature Physics, команда демонстрирует, что метод, который они назвали SATIN (для усиления сигнала за счет обращения времени), является наиболее чувствительным методом измерения квантовых флуктуаций, разработанных на сегодняшний день.

Этот метод может повысить точность современных атомных часов в 15 раз, сделав их время настолько точным, что за весь возраст Вселенной часы будут отставать менее чем на 20 миллисекунд. Этот метод также можно использовать для дальнейшей фокусировки квантовых датчиков, предназначенных для обнаружения гравитационных волн, темной материи и других физических явлений.

«Мы думаем, что это парадигма будущего», — говорит ведущий автор Владан Вулетич, профессор физики Массачусетского технологического института имени Лестера Вулфа. «Любая квантовая интерференция, которая работает со многими атомами, может извлечь выгоду из этой техники».

Соавторами исследования в Массачусетском технологическом институте являются первый автор Симона Коломбо, Эдвин Педрозо-Пенафьель, Альберт Адиятуллин, Зеян Ли, Энрике Мендес и Чи Шу.

Запутанные хронометристы

Определенный тип атома вибрирует с определенной и постоянной частотой, которая, если ее правильно измерить, может служить очень точным маятником, измеряющим время с гораздо более короткими интервалами, чем секунды кухонных часов. Но в масштабе одного атома вступают в силу законы квантовой механики, и колебания атома меняются, как лицевая сторона монеты, каждый раз, когда он подбрасывается. Только проведя множество измерений атома, ученые могут получить оценку его реальных колебаний — ограничение, известное как стандартный квантовый предел.

В современных атомных часах физики многократно измеряют колебания тысяч ультрахолодных атомов, чтобы увеличить свои шансы на получение точных результатов. Тем не менее, эти системы имеют некоторую неопределенность, и их хронометраж мог бы быть более точным.

В 2020 году группа Вулетика показала, что точность современных атомных часов можно повысить за счет запутывания атомов — квантового явления, при котором частицы вынуждены вести себя в коллективном, сильно коррелированном состоянии. В этом запутанном состоянии колебания отдельных атомов должны смещаться к общей частоте, для точного измерения которой потребуется гораздо меньше попыток.

«В то время мы все еще были ограничены тем, насколько хорошо мы могли считывать фазу часов», — говорит Вулетик.

То есть инструменты, используемые для измерения атомных колебаний, не были достаточно чувствительными, чтобы считывать или измерять любые тонкие изменения в коллективных колебаниях атомов.

Перевернуть знак

В своем новом исследовании вместо того, чтобы пытаться улучшить разрешение существующих инструментов считывания, команда стремилась усилить сигнал от любого изменения колебаний, чтобы их можно было считывать с помощью существующих инструментов. Они сделали это, используя другое любопытное явление в квантовой механике: обращение времени.

Считается, что чисто квантовая система, такая как группа атомов, полностью изолированная от повседневного классического шума, должна эволюционировать вперед во времени предсказуемым образом, а взаимодействия атомов (например, их колебания) должны точно описываться «гамильтониан» системы — по существу, математическое описание полной энергии системы.

В 1980-х годах теоретики предсказали, что если гамильтониан системы перевернуть, и та же самая квантовая система будет деэволюционировать, это будет похоже на возвращение системы во времени.

«В квантовой механике, если вы знаете гамильтониан, вы можете отслеживать, что система делает во времени, как квантовую траекторию», — объясняет Педрозо-Пенафьель. «Если эта эволюция является полностью квантовой, квантовая механика говорит вам, что вы можете деэволюционировать или вернуться и вернуться в исходное состояние».

«Идея состоит в том, что если бы вы могли изменить знак гамильтониана, каждое небольшое возмущение, которое произошло после того, как система эволюционировала вперед, усилилось бы, если бы вы вернулись назад во времени», — добавляет Коломбо.

Для своего нового исследования команда изучила 400 ультрахолодных атомов иттербия, одного из двух типов атомов, используемых в современных атомных часах. Они охладили атомы чуть выше абсолютного нуля, при температурах, при которых большинство классических эффектов, таких как тепло, исчезают, а поведение атомов определяется исключительно квантовыми эффектами.

Команда использовала систему лазеров, чтобы поймать атомы, а затем послала «запутанный» свет с голубым оттенком, который заставил атомы колебаться в коррелированном состоянии. Они позволили запутанным атомам развиваться вперед во времени, а затем подвергли их воздействию небольшого магнитного поля, которое внесло небольшое квантовое изменение, немного сместив коллективные колебания атомов.

Такой сдвиг было бы невозможно обнаружить с помощью существующих инструментов измерения. Вместо этого команда применила обращение времени, чтобы усилить этот квантовый сигнал. Для этого они послали еще один лазер с красным оттенком, который стимулировал распутывание атомов, как если бы они развивались в обратном направлении во времени.

Затем они измерили колебания частиц по мере того, как они возвращались в свое распутанное состояние, и обнаружили, что их конечная фаза заметно отличалась от их начальной фазы — явное свидетельство того, что где-то в их прямой эволюции произошло квантовое изменение.

Команда повторила этот эксперимент тысячи раз с облаками от 50 до 400 атомов, каждый раз наблюдая ожидаемое усиление квантового сигнала. Они обнаружили, что их запутанная система была в 15 раз более чувствительной, чем аналогичные незапутанные атомные системы. Если их система будет применена к современным атомным часам, это уменьшит количество измерений, необходимых для этих часов, в 15 раз.

В дальнейшем исследователи надеются проверить свой метод на атомных часах, а также на квантовых датчиках, например, для темной материи.

«Облако темной материи, проплывающее мимо Земли, может изменять время локально, и некоторые люди сравнивают часы, скажем, в Австралии с часами в Европе и США, чтобы увидеть, могут ли они обнаружить внезапные изменения в том, как течет время», — говорит Вулетик. . «Наша методика как раз подходит для этого, потому что вы должны измерять быстро меняющиеся временные вариации по мере того, как пролетает облако».

Ссылки по теме:

• Источник: Phys.org