|
Квантовые темные состояния дают преимущество
|
|
|
|
Хотя атомные часы уже являются самыми точными устройствами для измерения времени во Вселенной, физики упорно работают над тем, чтобы еще больше повысить их точность. Один из способов — использовать состояния со сжатым спином в часовых атомах. Состояния со сжатым спином — это запутанные состояния, в которых частицы в системе сговариваются, чтобы погасить свой собственный квантовый шум. Таким образом, эти штаты открывают большие возможности для квантовой метрологии, поскольку позволяют проводить более точные измерения. Тем не менее, спин-сжатые состояния в желаемых оптических переходах с небольшим внешним шумом трудно подготовить и поддерживать.
|
|
|
|
Один из конкретных способов создания состояния со сжатием спина, или сжатия, — это помещение часовых атомов в оптический резонатор — набор зеркал, где свет может многократно отражаться взад и вперед. В полости атомы могут синхронизировать испускание фотонов и излучать вспышку света, гораздо более яркую, чем от любого отдельного атома — явление, называемое сверхизлучением. В зависимости от того, как используется сверхизлучение, оно может привести к запутанности или, альтернативно, вместо этого может разрушить желаемое квантовое состояние. В предыдущем исследовании, проведенном в сотрудничестве между JILA и научными сотрудниками NIST Аной Марией Рей и Джеймсом Томпсоном, исследователи обнаружили, что многоуровневые атомы (с более чем двумя внутренними энергетическими состояниями) открывают уникальные возможности для использования сверхизлучательного излучения, вместо этого побуждая атомы нейтрализуют излучения друг друга и остаются в темноте.
|
|
|
Теперь, как сообщается в паре новых статей, опубликованных в Physical Review Letters и Physical Review A, Рей и ее команда обнаружили метод, позволяющий не только создавать темные состояния в полости, но, что более важно, заставлять эти состояния сжиматься по вращению. Их открытия могут открыть замечательные возможности для создания запутанных часов, которые могут удивительным образом раздвинуть границы квантовой метрологии. В течение нескольких лет Рей и ее команда изучали возможность использования сверхизлучения путем формирования темных состояний внутри полости. Поскольку темные состояния представляют собой уникальные конфигурации, в которых обычные пути излучения света разрушительно мешают, эти состояния не излучают свет. Рей и ее команда показали, что темные состояния могут быть реализованы, когда атомы, приготовленные в определенных исходных состояниях, помещаются внутрь полости.
|
|
|
|
Подготовленные таким образом квантовые состояния могли оставаться невосприимчивыми к эффектам сверхизлучения или излучения света в полость. Атомы все еще могут излучать свет за пределы полости, но со скоростью, намного меньшей, чем сверхизлучение. Бывший научный сотрудник JILA Асиер Пиньейро Ориоли, ведущий исследователь в предыдущем исследовании с Томпсоном, а также участник двух недавно опубликованных исследований, нашел простой способ понять возникновение темного состояния в полости с точки зрения того, что они назвали сверхизлучательный потенциал. Рей говорит: «Мы можем представить потенциал сверхизлучения как американские горки, по которым катаются атомы. Падая с холма, они коллективно излучают свет, но могут застрять, когда достигают долины. В долинах атомы образуют тьму. состояний и прекратить испускать свет в полость». В своей предыдущей работе с Томпсоном исследователи JILA обнаружили, что темные состояния должны быть хотя бы немного запутаны.
|
|
|
|
«Вопрос, который мы стремились решить в двух новых работах, заключается в том, могут ли они быть одновременно темными и запутанными», — объясняет первый автор Бхуванеш Сундар, бывший постдокторант JILA. «Самое интересное заключается в том, что мы не только обнаружили, что ответ положительный, но и что такие типы сжатых состояний довольно легко подготовить». В новых исследованиях ученые выяснили два возможных способа подготовки атомов в сильно запутанных спин-сжатых состояниях. Один из способов заключался в том, чтобы осветить атомы лазером, чтобы подать им энергию выше основного состояния, а затем поместить их в особые точки сверхизлучательного потенциала, также известные как седловые точки. В седловых точках исследователи позволяют атомам релаксировать в полости, выключая лазер, и, что интересно, атомы меняют свое шумовое распределение и становятся сильно сжатыми.
|
|
|
|
«Седловые точки — это долины, где потенциал одновременно имеет нулевую кривизну и нулевой наклон», — уточняет Рей. «Это особые точки, потому что атомы темные, но находятся на грани нестабильности и, следовательно, имеют тенденцию изменять свое распределение шума, сжимаясь». Другой предложенный метод заключался в переводе сверхизлучательных состояний в темные состояния. Здесь команда также обнаружила другие особые точки, где атомы расположены близко к особым «ярким» точкам — не в долине американских горок, а в точках с нулевой кривизной, — где взаимодействие сверхизлучения и внешнего лазера порождает спиновое сжатие. «Очень интересно то, что сжатие спина, генерируемое в этих ярких точках, затем можно перевести в темное состояние, где после соответствующего выравнивания мы можем отключить лазер и сохранить сжатие», — добавляет Сундар.
|
|
|
|
Этот перенос работает, сначала направляя атомы в долину сверхизлучательного потенциала, а затем используя лазеры с соответствующей поляризацией (или направлениями световых колебаний) для когерентного выравнивания сжатых направлений, делая сжатые состояния невосприимчивыми к сверхизлучению. Перевод сжатых состояний в темные состояния не только сохранил пониженные шумовые характеристики сжатых состояний, но и обеспечил их выживание в отсутствие воздействия внешнего лазера, что является решающим фактором для практических приложений в квантовой метрологии. В то время как в исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, использовалась только одна поляризация лазерного света, чтобы вызвать спиновое сжатие, генерируя две сжатые моды, статья Physical Review A продвинула это моделирование дальше, используя обе поляризации лазерного света, что привело к четырем спин-сжатым модам. (по две моды для каждой поляризации).
|
|
|
|
«В этих двух статьях мы рассматривали многоуровневые атомы со многими внутренними уровнями, — говорит Пиньейро Ориоли, — и наличие множества внутренних уровней сложнее моделировать, чем наличие двух уровней, что часто изучается в литературе. Поэтому мы разработали набор инструменты для решения этих многоуровневых систем. Мы разработали формулу для расчета запутанности, возникающей из начального состояния». Результаты этих исследований могут иметь далеко идущие последствия для атомных часов. Преодолевая ограничения сверхизлучения посредством генерации темных запутанных состояний, физики либо сохраняют запутанные состояния, используя атомы в качестве памяти (что позволяет извлекать информацию из этих состояний), либо вводят запутанное состояние в последовательность часов или интерферометра для квантовых вычислений. - расширенные измерения.
|
|
|
|
Источник
|
