Fizikçiler 10’dan fazla atomla Hong-Ou-Mandel girişimini gösteriyor

Yayınlanan yeni bir çalışmada Doğa FiziğiAraştırmacılar, 12’ye kadar ayırt edilemeyen nötr atomla Hong-Ou-Mandel (HOM) etkisini gösterdiler; bu, ağırlıklı olarak fotonik sistemlerde gözlemlenen bir etkidir.

Hong-Ou-Mandel etkisi, parçacıkların ayırt edilemezliğinden kaynaklanan bir kuantum olgusudur. İki özdeş bozon 50:50 ışın bölücüde buluştuğunda, her zaman aynı çıkış portundan birlikte çıkarlar. Başka bir deyişle “bir araya geliyorlar”. Her ne kadar ışın bölücü parçacıkları rastgele dağıtıyor olsaydı istatistiksel olarak beklenen sonuç bu olsa da, her çıktıda tek bir parçacık asla bulunamıyor.

İlk olarak 1987’de foton çiftleriyle gözlemlenen HOM etkisi, o zamandan beri kuantum bilgisinin ve kuantum metrolojisinin merkezi haline geldi. İki parçacık için fizik iyice yerleşmiştir. Ancak bunu birçok parçacığa genişletmek farklı bir zorluktur.

N tane ayırt edilemeyen parçacık her iki taraftan eşit sayıda ışın bölücüye girdiğinde, çıktı karakteristik bir model alır. Her bağlantı noktasında yalnızca çift sayıda parçacık görünür. Parçacık sayısı arttıkça, en olası sonuç en aşırı sonuç olur; tüm parçacıklar tek bir çıktıda toplanır.

Bu modeli oluşturmak, her parçacığın diğer tüm parçacıklara aynı anda müdahale etmesini gerektirir; bu, iki parçacıklı durumun basit bir uzantısı olmaktan çok, gerçekten kolektif bir etkidir. Bunu bir avuçtan fazla parçacıkla temiz ve net bir şekilde başarmanın zor olduğu ortaya çıktı.

CEİD, çalışmanın ilk yazarı Hannover’deki Alman Havacılık ve Uzay Merkezi’nden (DLR) Martin Quensen ile konuştu.

Çalışmadan bahsederken şunları söyledi: “Gerçek N-parçacık girişimi, doğanın izin verdiği en düşük belirsizlik olan Heisenberg sınırıyla hassas ölçümlere giden yolu açıyor. Bu sınıra, Bose-Einstein yoğunlaşmaları platformumuzda HOM girişimi kullanılarak ulaşılabileceğini gösterdik.”

Fotonik bir avantaj

Fotonlar, HOM etkisini incelemek için uzun süredir tercih edilen araç olmuştur; bunun nedeni, büyük ölçüde, tek fotonlu dedektörlerin olgunlaşmış ve yaygın olarak bulunabilmesidir. Bu nedenle, tek tek fotonların ne zaman ve nereye varacağını kaydetmek kolaydır. Araştırmacılar, dolaşmış foton çiftleri üreten bir süreç olan spontan parametrik aşağı dönüşümü kullanarak dört, altı ve sekiz fotonla HOM etkisini incelediler.

Ancak fotonlar temiz bir şekilde ölçeklenmiyor. Kayıp, kısmi ayırt edilebilirlik ve istenmeyen çoklu foton gürültüsü, foton sayısı arttıkça daha agresif bir şekilde ortaya çıkıyor ve gözlemlenen şeyin deneysel kusurdan ziyade gerçek çoklu parçacık girişimine temiz bir şekilde atfedilmesini zorlaştırıyor.

Ancak araştırmacılar bu etkiyi, tuzaklanmış iyonlar, Rydberg atomları ve hatta fotonlar ile atomik magnonlar arasında (bunlar yarı parçacıklar gibi davranan manyetik bir malzemedeki elektron dönüşlerinin kolektif uyarılmalarıdır) içeren diğer sistemlerde de incelediler. Optik cımbız ve kafeslerde tutulan atomlar da HOM benzeri kümelenme sergilemiştir.

Burada dikkat edilmesi gereken bir ayrım var. Yukarıda bahsedilen kurulumlar araştırmacıların çoklu mod dediği kurulumlardır. Her parçacığın yalnızca iki değil, pek çok olası yolu vardır ve esas olarak en yakın komşusuyla etkileşime girer. Sonuç, çoklu parçacık demetlenmesine benzeyebilir, ancak tüm parçacıkların aynı anda birbirine müdahale etmesinden ziyade, yerel olarak ve birçok parçacık çifti boyunca paralel olarak meydana gelen HOM benzeri girişimi daha yakından yansıtır.

Buna karşılık, orijinal HOM deneyi iki modluydu. Her iki fotonun da ortak bir seçeneği vardı: iki çıkış portundan biri. İki modlu kurulumun, tümü aynı iki çıktı arasında seçim yapan N parçacığa doğrudan genişletilmesi hiçbir platformda gösterilmemişti.

Deneyi oluşturma

Deneyleri için giriş durumunu oluşturmak amacıyla araştırmacılar, optik dipol tuzağında tutulan yaklaşık 250 rubidyum atomundan oluşan Bose-Einstein yoğunlaşması ile işe başladılar.

Yoğuşmanın içinde, spin değiştiren çarpışmalar olarak adlandırılan bir süreç, iki farklı spin durumunda atom çiftleri üretir. Bu, deney için gereken giriş durumunu yarattı: Twin-Fock durumu olarak bilinen, iki dönüş durumunun her birinde eşit, ancak rastgele değişen sayıda atom vardı.

Daha sonra bir dizi mikrodalga darbesi ışın bölücü olarak görev yaptı ve iki dönüş durumunu 50:50 olasılıkla tutarlı bir şekilde birleştirdi. Teknik engel, çıktıdaki atomları HOM etkisinin gerçekten meydana gelip gelmediğini anlayacak kadar doğru bir şekilde saymaktı.

Quensen, “Platformumuz için tipik algılama gürültüsü, tek bir atomdan gelen sinyalden çok daha büyüktür” dedi. “Ayırt edilemeyen iki atomu başarılı bir şekilde hazırladığınızdan ve onların 50:50 ışın bölücü benzeri girişimini mükemmel bir şekilde tasarladığınızdan emin olsanız bile, bu tür bir algılama gürültüsü, çıkış durumunda bir araya toplanıp toplanmadıklarını ölçmenize izin vermez.”

Bunu çözmek için ekip, atomları, optik melas adı verilen özel bir geometrik konfigürasyonda düzenlenmiş lazer ışığıyla aydınlattı; atomları her yönden hedef alan, yoğunluk, polarizasyon ve frekans açısından dikkatlice dengelenmiş altı lazer ışını.

Quensen, “Ne zaman bir atom bir yöne doğru itilse, hızını azaltan bir sönümleme kuvvetiyle karşılaşır.” diye açıkladı. “Tıpkı bir topu su altına itmeye çalıştığınızda olduğu gibi. Atomlar, floresan ışık yayarak başlangıç ​​konumlarının yakınında daha uzun süre kalırlar. Her atomdan çok daha büyük bir sinyal alıyoruz ve sinyal-gürültü oranını bir atomun çok altına indirebiliyoruz.”

Bu, sayma çözünürlüğünü 0,2 atoma düşürdü; bu, deneyin her bir çalıştırması için her bir dönüş durumuna tam tamsayı sayıda atom atamaya yetecek kadar düşüktü.

Kayıp ikincil bir endişeydi. Optik bir dipol tuzağında tutulan atomlar, giriş durumunu hazırlamak için gereken kabaca 100 milisaniyeden ve girişimin kendisinin aldığı birkaç yüz mikrosaniyeden çok daha uzun bir sürede, onlarca saniye boyunca orada kalabilir.

Quensen, “Bizim tespitimize göre bir atomun sayılmama şansı yok. Fiziksel olarak mevcutsa kesinlikle floresan ışık yayacaktır” dedi.

Çok parçacıklı HOM’un üç imzası

Ekip, 2’den 12’ye kadar değişen atom sayıları için çıktı dağılımlarını kaydetti. Birlikte ele alınan üç imza, gerçek çok parçacıklı HOM girişiminin meydana geldiğini doğruladı.

İlki eşitlikti. Eşliğin ölçülmesi basitçe tespit edilen toplam atom sayısının çift mi yoksa tek mi olduğunu kontrol etmek anlamına gelir. Eşlik sinyallerinin 10 atoma kadar 0,8’i ve 12 atom için 0,6’yı aşmasıyla tuhaf sonuçlar büyük ölçüde bastırıldı. Ancak eşlik tek başına tüm N parçacıkların birbirine girişim yaptığını kanıtlamak için yeterli değildir.

Quensen, “Bu sonucu açıklamak için yalnızca iki parçacık girişimine ihtiyacınız var” dedi. “Sonuçta bu, iki parçacıklı HOM etkisinde zaten oluyor.”

İkinci imza, çıktı dağıtımının şekli olan gruplama zarfıydı. Atomların iki çıktı arasında eşit şekilde bölünmesi yerine, en olası sonuçlar, atomların çoğunun veya tamamının tek bir çıkış portunda yığıldığı en uç sonuçlardı.

Quensen, “Tüm parçacıklar müdahale etmedikçe bunu bekleyemezsiniz” dedi.

Üçüncü ve en doğrudan test ise dolaşmaydı. Araştırmacılar dolaşma derinliği adı verilen bir miktarı hesapladılar. Bu, sistemin en büyük alt kümesindeki, diğerlerinden bağımsız olarak tanımlanamayan parçacıkların sayısıdır. Ekip, 8 atoma kadar tam ve gerçek çok parçacıklı dolaşıklığı doğruladı. 12 atomlu durumun tamamı için, en az 10 parçacıklı dolaşıklığı %68 güvenle onayladılar.

“Biz şunu sorduk: N-parçacık durumuna ilişkin verilerimiz, ayrı ayrı tanımlanabilecek alt sistemlerden oluşan sistemle uyumlu mu?” Quensen dedi. “N atom numaralarının çoğu için verilerimiz buna izin vermiyor.”

Üç ölçüm birlikte, daha küçük, bağımsız girişim yapan parçacık kümelerini içeren herhangi bir açıklamayı dışladı ve gerçek N-parçacık girişimini tek tutarlı açıklama olarak bıraktı.

Araştırmacılar ayrıca Fisher bilgisi adı verilen bir nicelik kullanarak, prensipte durumlarının ölçüm için ne kadar kesin olarak kullanılabileceğini de ölçtüler. Dolaşmamış parçacıklar için ölçüm hassasiyeti yalnızca parçacık sayısının karekökü kadar iyileşir; bu, tek parçacık ölçümünün birçok kez tekrarlanmasına eşdeğerdir.

Ekip, dolanıklık durumlarının Heisenberg sınırına yaklaştığını, bunun yerine hassasiyetin doğrudan parçacık numarasıyla ölçeklendiğini ve 12 atom için klasik sınırın 6,4 desibel üzerinde bir Fisher bilgisi gözlemlediğini buldu.

Quensen, “N = 10.000’lik tipik Bose-Einstein yoğunlaşma boyutları için hassasiyet avantajı 100 katına kadar çıkabilir” diye ekledi.

Gelecekteki çalışmalar

Çalışma, BEC’lerin gerçekten dolaşmış, çok parçacıklı kuantum durumlarını tek atom doğruluğuyla üretip tespit edebildiğini gösteriyor. Bu yetenek, ölçüm hassasiyetinin dolaşık olmayan parçacıkların başarabildiğini geride bırakmasına izin veren kaynağın dolaşıklık olduğu kuantumla geliştirilmiş metrolojiyle doğrudan ilgilidir.

Araştırmacılar daha da ölçeklenebilecek alan görüyorlar. Tespit düzenleri prensip olarak 1000 atoma kadar çözümlenecek şekilde genişletilebilir. Durum oluşumunun, atom yoğunluğunun ve bununla birlikte gelen istenmeyen çarpışmaların azaltılmasıyla eşleşecek şekilde ölçeklendirilebileceğini umuyorlar.

Quensen, tarihsel olarak fotonik platformlarla ilişkilendirilen başka bir deney sınıfına işaret ederek, “Uzaysal bir ayrımın farkına vararak, bu tür durumlar çok parçacıklı Bell testlerine giden yolu açıyor” dedi.