Flugzeit-Quantentomographie eines Atoms in einer optischen Pinzette

Wenn es darum geht, immer faszinierendere Quantensysteme zu schaffen, müssen ständig neue Wege gefunden werden, sie in einer Vielzahl physikalischer Szenarien zu beobachten. JILA-Stipendiatin Cindy Regal und JILA- und NIST-Stipendiatin Ana Maria Rey haben sich mit Oriol Romero-Isart von der Universität Innsbruck und IQOQI zusammengetan, um zu zeigen, dass ein gefangenes Teilchen in Form eines Atoms mit ganz einfachen Zutaten seinen vollen Quantenzustand leicht offenbart. eröffnet Möglichkeiten für Untersuchungen des Quantenzustands immer größerer Teilchen.

Im Quantenreich verhält sich ein Atom nicht wie ein Punktteilchen; stattdessen verhält es sich eher wie eine Welle. Seine Eigenschaften (z. B. seine Position und Geschwindigkeit) werden durch die sogenannte Wellenfunktion des Atoms beschrieben. Eine Möglichkeit, etwas über die Wellenfunktion eines Teilchens zu erfahren, besteht darin, das Atom fliegen zu lassen und dann seine Position mit einer Kamera festzuhalten.

Und mit den richtigen Tricks lässt sich der Quantenzustand des Teilchens aus vielen Blickwinkeln fotografieren, was zur sogenannten Quantentomographie führt („tomo“ ist griechisch für Scheibe oder Schnitt, „grafie“ bedeutet beschreiben oder aufzeichnen). In der Arbeit veröffentlicht in Naturphysikverwendeten die Autoren ein Rubidiumatom, das sorgfältig in einem bestimmten Bewegungszustand in einem eng fokussierten Laserstrahl platziert wurde, der als optische Pinzette bekannt ist. Und sie konnten es aus vielen Blickwinkeln beobachten, indem sie es in der optischen Pinzette rechtzeitig entwickeln ließen. Wie bei einem Ball, der in einer Schüssel rollt, ändern sich Geschwindigkeit und Ort des Partikelaustauschs zu unterschiedlichen Zeiten, und durch das Aufnehmen von Bildern zum richtigen Zeitpunkt während einer Videorolle des Balls können viele Vorteile des Zustands des Partikels aufgedeckt werden.

Die Forscher nutzten mehrere Time-of-Flight-Kamerabilder als tomografisches Werkzeug und rekonstruierten ohne weitere Hilfsmittel den Quantenzustand ihres gefangenen Atoms. Die Quantentomographie enthüllte Merkmale, die man für ein Atom in einem klassischen Zustand nicht finden würde, die aber stattdessen eine echte Quantenbeschreibung zum Verständnis der kombinierten gemessenen Muster erforderten.

Fliegende Teilchen

Atome, die gefangen sind und sich quantenmechanisch verhalten, sind nichts Neues für JILA, und die Flugzeit ist ein Weg, auf dem Experimentatoren oft etwas über die Impulsausbreitung einer Ansammlung von Atomen lernen.

Ein Grund, warum die Forscher anfingen, über dieses Experiment mit einem einzelnen Atom nachzudenken, war eigentlich das Ergebnis von Protokollen, die für große gefangene Teilchen vorgeschlagen wurden, bei denen viele Atome in einem Festkörper aneinander haften und sich als eins bewegen. „Nanopartikel sind feste Objekte, die Milliarden von Atomen enthalten und zum Testen der Quantenmechanik in großem Maßstab verwendet werden können“, erklärte Oriol Romero-Isart. „Einige der Ideen und Protokolle, die wir in diesem Zusammenhang theoretisch entwickelt haben, können mit einzelnen Atomen getestet werden, indem man die exquisite Kontrolle nutzt, die das Team von Cindy Regal mit einzelnen Atomen in ihrem Labor hat.“

Romero-Isart schlug in einem Papier aus dem Jahr 2011 vor, dass die Flugzeit in Kombination mit dem kohärenten Rollen eines einzelnen Teilchens in einer Falle zu einer vollständigen Quantentomographie führen könnte. Und im Gegensatz zu vielen Techniken, die häufig für die Quantentomographie verwendet werden, wäre es auf jedes Teilchen anwendbar, solange es mit einer Kamera gesehen werden könnte.

„Die Quantentomographie wurde auf viele verschiedene Arten für eine Vielzahl von Partikeln und Systemen durchgeführt“, erklärte Regal. Die von den Forschern verwendete Technik ist jedoch verblüffend einfach, denn Sie warten einfach während der Videorolle auf den richtigen Zeitpunkt und lassen das Atom fliegen.

„Quantentomographie ist ein Protokoll, das darauf abzielt, den vollständigen Quantenzustand eines Systems zu bestimmen“, erklärte JILA- und NIST-Fellow Ana Maria Rey. Romero-Isart fügte hinzu: „Da in der Quantenmechanik eine einzelne Messung den Zustand des Systems stört, erfordert die Quantentomographie die Fähigkeit, das Experiment unter identischen Bedingungen zu wiederholen.“

Regal, Rey und Romero-Isart machten sich auf den Weg, um zu sehen, ob eine optische Pinzettenfalle eine ausreichend kontrollierte Plattform war, um ein nachweisbares Quantenverhalten für ein einzelnes Teilchen zu sehen, wobei das einzelne Teilchen für diese Experimente ein Atom war, indem sie Romero-Isarts vorgeschlagene Videorolle verwendeten Technik

Bedienung der Kamera

Mit der optischen Pinzette konnten Cindy Regal und ihr Team die Flugzeit des Atoms aufzeichnen, nachdem es das Atom aus der Falle gelöst hatte. „Für dieses Experiment haben wir uns Rubidiumatome angesehen“, fügte Regal hinzu. „Was wir tun, ist, viele einzelne identische Atome zu erzeugen, etwa 60.000 Mal, jedes Mal, wenn das Atom nominell im gleichen Zustand entsteht.“ Indem sie dies immer wieder wiederholten, konnten die Forscher eine Art Bild erstellen, das die Geschwindigkeit oder den Impuls des Atoms zu dem Zeitpunkt zeigt, als es aus der Falle entlassen wurde.

„Stellen Sie sich zum Beispiel ein Teilchen vor, das einen sehr geringen Impuls hat“, postulierte Rey, „wenn wir es loslassen, wird sich das Teilchen kaum bewegen und wir werden es nach der Zeitentwicklung sehr nahe an seiner ursprünglichen Position finden. Auf der anderen Seite, Ein sehr energiereiches Teilchen wird sich sehr schnell bewegen, nachdem wir es aus der Falle befreit haben, und wir werden es sehr weit entfernt finden.Die Karte der Positionen der Teilchen nach einer langen Zeit der Evolution ermöglicht es uns also, den Impuls zu diesem Zeitpunkt zu bestimmen der Befreiung.“

Die Kamera, mit der diese Bilder aufgenommen wurden, war anders als die, die Regal in der Vergangenheit verwendet hat, um diese informativen Bilder zu erstellen. „Da wir die Atome während ihres Fluges schnell fotografieren mussten, ist es wichtig, möglichst viele Photonen des Atoms einzufangen und die Kamera auf geringes Rauschen zu optimieren“, sagt Regal.

Eine neue Videorolle wird dann aufgenommen, indem die Experimentsequenz erneut wiederholt wird, aber das System zu einem anderen Zeitpunkt in der Videorolle der optischen Pinzette erfasst wird.

Quantenzustände abbilden

Unter Verwendung aller Bilder von der Videorolle konnte das Team dann die Quantenzustände des Atoms abschätzen. „Ein wesentlicher Beitrag der Theorie war, die sogenannte Wigner-Funktion des Zustands (die die Wellenfunktion eines Quantenzustands mit einer Wahrscheinlichkeitsverteilung im Ort-Impuls-Raum verbindet) aus experimentellen Messungen rekonstruieren zu können“, erklärt Rey.

„Ein wichtiges Ergebnis der Arbeit war die Vorbereitung des Atoms in einem Zustand, der vollständig quantenhaft ist und keine klassische Beschreibung zulassen kann“, fügte Rey hinzu. „Wir konnten zeigen, dass selbst unter Berücksichtigung kleiner Unvollkommenheiten und systematischer Fehler, die im Experiment unvermeidlich sind, der Zustand eine negative Wigner-Funktion behält, die nur für echte Quantenzustände auftreten kann.“

Die Möglichkeit, eine Wellenfunktion eines einzelnen Atoms mit negativer Wigner-Funktion aufzubereiten und zu messen, zeigte den Erfolg des von den Forschern implementierten Quantenprotokolls. Die Messidee wird für das Benchmarking der Leistung der Quantenzustandskontrolle in optischen Pinzetten nützlich sein, was für die Quantencomputer und Metrologie in neutralen Atomarrays zunehmend wichtig wird.

Da sich ein Großteil der Quantenphysik um die Isolierung und Manipulation von Atomzuständen dreht, bieten die Ergebnisse dieses Experiments vielversprechende neue Wege für weitere Untersuchungen. „Es liegen aufregende Richtungen vor uns“, sagte Rey. Regal, Rey und Romero-Isart werden ihre Zusammenarbeit fortsetzen, indem sie nicht nur Parallelen zwischen der Abbildung von Quantenzuständen neutraler Teilchen ziehen, sondern auch beliebige Bewegungsquantenzustände erzeugen und Konzepte auf mehr Fallen und mehr Atome erweitern. Diese Untersuchungen werden die Grenzen der Quantenkontrolle durch optische Pinzetten weiter verschieben.