Yeni bir tür dolaşıklık, kuantum sensörlerinin gürültüyü ayarlamasına yardımcı oluyor

Dünyadaki en doğru kuantum sensörlerini oluşturma arayışı içinde bilim insanları, bunların performansını sürekli olarak geliştirerek onları daha hassas, daha kararlı ve daha güvenilir hale getiriyor. Ancak sonuçta fiziksel kısıtlamalar daha fazla gelişmeyi engelleyecektir.

JILA ve NIST üyesi ve Colorado Boulder Üniversitesi’nde fizik profesörü olan Ana Maria Rey, “Bir kuantum sensöre daha fazla atom sığdıramazsınız çünkü bir noktada çarpışmaya ve birbirlerini rahatsız etmeye başlayarak sensörün performansını etkilemeye başlarlar” diyor.

Dünyadaki en hassas sensörler bile tamamen izole edilmemiştir ancak gürültüye (titreşimler, elektromanyetik alanlar veya sıcaklık değişiklikleri gibi çevreden kaynaklanan hafif rahatsızlıklara) maruz kalırlar.

Rey, JILA Üyesi James K. Thompson ve Niels Bohr Enstitüsü, Ortak Kuantum Enstitüsü ve Hindistan Teknoloji Enstitüsü Madras’tan meslektaşlarıyla birlikte şu soruyu sordu: Bu sınırlamalara rağmen yeni nesil sensörleri nasıl geliştirebiliriz?

Gelecek vaat eden fikirlerden biri, atomların birbirine bağlanması ve bir sistem olarak birlikte çalışması için kuantum dolaşıklığını kullanmaktır. Atomlar dolanık hale geldiğinde mesafeyle ayrılmış olsalar bile özellikleri paylaşırlar. Prensip olarak bu daha hassas ölçümlere olanak sağlar. Ancak dolaşık atomlar hâlâ gürültüye maruz kalıyor.

JILA’da araştırma görevlisi olan Raphael Kaubruegger, “Dolaşık durumlar, tek bir parametreyi tahmin etmek için iyi anlaşılmıştır, ancak amacımız, bir sensör ağının iki düğümü arasındaki parametre farkına oldukça duyarlı olan dolaşık bir durum yaratmaktı” diyor.

Araştırmacılar, her iki sensörü de etkileyen gürültüyü filtreleyebilecek yeni bir dolaşık durum sınıfı tanımlamak için yola çıktılar. Daha sonra bu durumları optik bir boşluk içinde oluşturmak için iki yol geliştirdiler; fotonları ileri geri sıçratan, birbirinden bir inç (2,5 santimetre) uzakta olan bir çift ayna. Yakın zamanda yayınlanan bir makalede durumu ve onu yaratmanın iki yöntemini anlatıyorlar. Fiziksel İnceleme X.

Lieb-Mattis eyaleti

Belirledikleri dolaşmış durum, her iki sensörü de etkileyen gürültüyü susturmak için belirli türdeki rahatsızlıklardan korunan eşevresizlik içermeyen alt uzayları kullanır. Lazerler, bir atomun iki iç durumu arasında tutarlı bir süperpozisyon oluşturmak için kullanılır, ancak bunu başarmak için lazerin frekansının atomik geçişle tam olarak eşleşmesi gerekir.

Rey’in açıkladığı gibi zorluk, en hassas lazerlerin bile sabit bir frekansı yeterince uzun süre koruyamamasıdır. Bu lazer frekansı kararsızlıkları, her iki sensör tarafından eşit olarak deneyimlenen gürültü üretir ve şu anda en son teknolojiye sahip saatlerde en zararlı hatalardan biridir.

Rey, “İdeal olarak atomları bu tür gürültülere karşı duyarsız bir durumda hazırlamak gerekir” diyor. “Yarattığımız durum, bu atomlar arasında dolanıklıktır, ancak bir şekilde hangi atomun hangi toplulukta olduğunu ayırt edemezsiniz. Tamamen simetriktirler.”

JILA ve NIST üyesi ve fizik profesörü James Thompson, “Olayın ardından bunun, insanların antiferromıknatısları veya kuantum mıknatısları tanımlamayı düşündükleri türden bir durum olduğunu fark ettik” diyor.

Yoğun madde fiziğinde Lieb-Mattis durumu, iki grup atomun zıt yönlere işaret ediyormuş gibi hareket ettiği, ancak sistemin uzayda sabit bir yön seçmediği bir antiferromıknatısın kuantum versiyonunu tanımlar.

Tutarlı ve üniter bir yaklaşım

Ekibin istenen durumu hazırlamak için geliştirdiği yöntemlerden biri, atomların optik bir boşluk aracılığıyla ileri geri foton göndermesini sağlayarak bir “döndürme değişimi” tasarlayarak bir sensör ağının iki düğümünü dolaştırmayı içeriyor. Bu, bir düğümdeki her atomun diğerindeki bir atomla mükemmel şekilde antikorelasyona sahip olduğu bir duruma yol açar. Bir atom “yukarı” ise diğer atom “aşağı”dır.

Thompson bu yaklaşımı, her takımın bir beyzbol takımı olduğu beyzbola benzetiyor. Takımlar birbirlerine top veya bu durumda foton atıyorlar. Her top atıldığında diğer takım topu yakalar. Thompson, topu hangi oyuncunun attığını veya kimin yakaladığını bilmememizin önemli olduğunu ekliyor.

Thompson, “Bu bağlantıları oluşturan şey budur” diyor. “Bir top atılırsa mutlaka yakalanır.”

Yaklaşım, tüm atomların tek bir kuantum nesnesi gibi davrandığı Heisenberg ölçeklendirmesini veya mümkün olan en iyi hassas ölçeklendirmeyi üretir.

Bir fotonu kaybetmek o kadar da kötü değil

Optik boşluklar mükemmel değildir. Rey’in açıkladığı gibi bazen bir fotonu kaybedebilirsiniz. Ekibin ikinci yaklaşımı bunu hesaba katıyor.

Optik boşluğun içinde fotonlar, kazara diğer tarafa geçmeden önce çok yansıtıcı aynalar arasında yaklaşık 100.000 kez ileri geri sıçrayabilir.

Rey, “Fotonları kaybediyoruz, ancak önemli olan fotonların kolektif bir şekilde kaybolmasıdır” diyor.

Hangi atomun suçlanacağını söylemek imkansız olduğundan, bu durum dolanıklık yaratabilir ve onları daha fazla foton kaybedemeyecekleri bir duruma sürükleyebilir.

Thompson, “Bir noktada artık topu düşürmeme konusunda gerçekten ustalaşıyorlar” diyor.

Rey, “Onlar ‘karanlık duruma’ veya yayılan fotonların aşamalarının tamamen iptal edildiği, yıkıcı girişim olarak bilinen duruma yol açan bir duruma giriyorlar” diye ekliyor.

Ekip için sürpriz olan şey, başlangıçta bu fotonları kaybetmenin zararlı etkisini anlamaya çalışmalarıydı. Ancak Rey’in açıkladığı gibi, sonuçta bu tür bir dağılma aslında onları istedikleri duruma getirdi.

Kaubruegger, “Başlangıçta hazırlamak istediğimiz durum, atomların yarısının uyarıldığı ancak sistemin toplu olarak bir foton yayamadığı bir durumdu” diye ekliyor.

Gerçek dünya uygulamaları için teori ile deney arasında köprü kurma

Ekibin önerdiği durumlar, sistem büyüdükçe hızlı ve daha da önemlisi daha hızlı oluşturulabilir; bu da onları kuantum sensörlerini ölçeklendirmek için pratik hale getirir.

Thompson, “İnsanlar, yalnızca iki atoma sahip olduğunuz bu tür bir durumu düşündüler; bu harika, ancak daha fazlasını kullanmak istersiniz” diyor. “Görünüşe göre ne kadar çok atoma sahipseniz o kadar iyi.”

Kuantum sensörlerini daha hassas hale getirerek, bu dolaşmış durumlar bir gün GPS kullanılamadığında navigasyona rehberlik edebilir veya mineraller, petrol veya gaz gibi gizli yer altı kaynaklarını ortaya çıkarabilir.

Teorisyenler ve deneyselciler arasındaki yakın işbirlikleri bu çalışmanın anahtarı olmuştur. Gruplar birbirlerine ilham veriyor ve birbirlerini kontrol altında tutuyorlar. Kaubruegger, birlikte çok yakın çalıştıkları için deneycilerin karşılaştığı zorluklara dair daha derin bir anlayışa sahip olduklarını söylüyor.

Artık top, deyim yerindeyse, Thompson’ın grubunun elinde: durumu deneyle göstermek.