Ein Interferometer für verschränkte Materiewellen. Jetzt mit doppelter Gruseligkeit

Das Forscherteam von JILA und NIST Fellow James K. Thompson hat zum ersten Mal erfolgreich zwei der „gruseligsten“ Merkmale der Quantenmechanik kombiniert, um einen besseren Quantensensor herzustellen: Verschränkung zwischen Atomen und Delokalisierung von Atomen.

Einstein bezog sich ursprünglich auf Verschränkung als das Erzeugen einer gespenstischen Fernwirkung – der seltsame Effekt der Quantenmechanik, bei dem das, was mit einem Atom passiert, irgendwie ein anderes Atom an einem anderen Ort beeinflusst. Verschränkung ist das Herzstück der erhofften Quantencomputer, Quantensimulatoren und Quantensensoren.

Ein zweiter ziemlich unheimlicher Aspekt der Quantenmechanik ist die Delokalisierung, die Tatsache, dass ein einzelnes Atom gleichzeitig an mehr als einem Ort sein kann. Wie in ihrem kürzlich veröffentlichten Artikel beschrieben Naturhat die Thompson-Gruppe die Spukhaftigkeit von Verschränkung und Delokalisierung kombiniert, um ein Materiewellen-Interferometer zu realisieren, das Beschleunigungen mit einer Präzision erfassen kann, die die Standard-Quantengrenze (eine Grenze für die Genauigkeit einer experimentellen Messung auf Quantenebene) für das übertrifft erstes Mal.

Durch die Verdoppelung der Spukhaftigkeit werden zukünftige Quantensensoren in der Lage sein, eine präzisere Navigation bereitzustellen, nach benötigten natürlichen Ressourcen zu suchen, fundamentale Konstanten wie die Feinstruktur und Gravitationskonstanten genauer zu bestimmen, genauer nach dunkler Materie zu suchen oder vielleicht sogar nach einer Tag Gravitationswellen erkennen.

Verstrickung erzeugen

Um zwei Objekte zu verschränken, muss man sie normalerweise sehr, sehr nahe aneinander bringen, damit sie interagieren können. Die Thompson-Gruppe hat gelernt, Tausende bis Millionen von Atomen zu verschränken, selbst wenn sie Millimeter oder mehr voneinander entfernt sind. Sie tun dies, indem sie Licht verwenden, das zwischen Spiegeln, einem sogenannten optischen Hohlraum, reflektiert wird, damit Informationen zwischen den Atomen springen und sie in einen verschränkten Zustand versetzen können. Mit diesem einzigartigen lichtbasierten Ansatz haben sie einige der am stärksten verschränkten Zustände erzeugt und beobachtet, die jemals in einem System erzeugt wurden, sei es ein atomarer, ein photonischer oder ein fester Zustand.

Die Gruppe entwarf zwei unterschiedliche experimentelle Ansätze, die sie beide in ihrer jüngsten Arbeit nutzten. Beim ersten Ansatz, der als quantenfreie Messung bezeichnet wird, nehmen sie eine Vorabmessung des mit ihren Atomen verbundenen Quantenrauschens vor und subtrahieren das Quantenrauschen einfach von ihrer endgültigen Messung.

Bei einem zweiten Ansatz bewirkt in den Hohlraum eingestrahltes Licht, dass die Atome einer einachsigen Verdrehung unterzogen werden, einem Prozess, bei dem das Quantenrauschen jedes Atoms mit dem Quantenrauschen aller anderen Atome korreliert, sodass sie sich verschwören können, um leiser zu werden . „Die Atome sind so etwas wie Kinder, die sich gegenseitig zum Schweigen bringen, damit sie von der Party hören können, die der Lehrer ihnen versprochen hat, aber hier ist es die Verstrickung, die für das Schweigen sorgt“, sagt Thompson.

Materiewellen-Interferometer

Einer der präzisesten und genauesten Quantensensoren ist heute das Materiewellen-Interferometer. Die Idee ist, dass man Lichtpulse verwendet, um Atome dazu zu bringen, sich gleichzeitig zu bewegen und nicht zu bewegen, indem man sowohl Laserlicht absorbiert als auch nicht absorbiert. Dies führt dazu, dass sich die Atome im Laufe der Zeit gleichzeitig an zwei verschiedenen Orten gleichzeitig befinden.

Wie der Doktorand Chengyi Luo erklärt: „Wir strahlen Laserstrahlen auf die Atome, sodass wir das Quantenwellenpaket jedes Atoms tatsächlich in zwei Teile aufteilen, mit anderen Worten, das Teilchen existiert tatsächlich gleichzeitig in zwei getrennten Räumen.“ Spätere Laserlichtpulse kehren dann den Prozess um und bringen die Quantenwellenpakete wieder zusammen, so dass alle Änderungen in der Umgebung wie Beschleunigungen oder Rotationen durch eine messbare Menge an Interferenz erfasst werden können, die den beiden Teilen des Atomwellenpakets passiert, ähnlich wie wird in normalen Interferometern mit Lichtfeldern gemacht, hier aber mit De’Broglie-Wellen oder Wellen aus Materie.

Das Team von JILA-Doktoranden fand heraus, wie all dies innerhalb eines optischen Hohlraums mit hochreflektierenden Spiegeln funktioniert. Sie konnten messen, wie weit die Atome aufgrund der Schwerkraft entlang des vertikal ausgerichteten Hohlraums in einer Quantenversion von Galileos Schwerkraftexperiment fielen, bei dem Gegenstände vom Schiefen Turm von Pisa fallen gelassen wurden, aber mit allen Vorteilen der Präzision und Genauigkeit, die sich aus der Quantenmechanik ergeben.

Verdoppelung der Gruseligkeit

Durch das Erlernen des Betriebs eines Materiewellen-Interferometers innerhalb eines optischen Hohlraums konnte das Team von Doktoranden unter der Leitung von Chengyi Luo und Graham Greve die Licht-Materie-Wechselwirkungen nutzen, um eine Verschränkung zwischen den verschiedenen Atomen zu erzeugen, um a leisere und genauere Messung der Erdbeschleunigung. Dies ist das erste Mal, dass jemand ein Materiewellen-Interferometer mit einer Genauigkeit beobachten konnte, die die standardmäßige Quantengrenze für die Genauigkeit übertrifft, die durch das Quantenrauschen unverschränkter Atome festgelegt wird.

Dank der verbesserten Präzision sehen Forscher wie Luo und Thompson viele zukünftige Vorteile für die Nutzung der Verschränkung als Ressource in Quantensensoren. Thompson sagt: „Ich denke, dass wir eines Tages in der Lage sein werden, die Verschränkung in Materiewellen-Interferometer einzuführen, um Gravitationswellen im Weltraum zu erkennen oder für die Suche nach dunkler Materie – Dinge, die grundlegende Physik untersuchen, sowie Geräte, die für alle verwendet werden können Tagesanwendungen wie Navigation oder Geodäsie.“

Mit diesem bedeutsamen experimentellen Fortschritt hoffen Thompson und sein Team, dass andere diesen neuen Ansatz des verschränkten Interferometers nutzen werden, um zu weiteren Fortschritten auf dem Gebiet der Physik zu führen. Optimistisch sagt Thompson: „Indem wir lernen, all die Spukhaftigkeit, die wir bereits kennen, zu nutzen und zu kontrollieren, können wir vielleicht neue gruselige Dinge über das Universum entdecken, an die wir noch nicht einmal gedacht haben.“