Квантовые вибрации в атомах удерживают миниатюрный мир информации. Если ученые могут точно измерить эти атомные колебания, и как они развиваются во времени, они могут улучшить точность атомных часов, а также квантовых датчиков, которые являются системами атомных колебаний, которые могут указывать на присутствие темной материи, проходящую гравитационную волну или даже новый, неожиданный феномен.
Главное препятствие в пути к лучшим квантовым измерениям-шум от классического мира, который может легко подавлять тонкие атомные вибрации, что делает любые изменения в этих вибрациях сложными для обнаружения.
Теперь физики Массачусетского технологического института показали, что они могут значительно усилить квантовые изменения в атомных колебаниях, подвергая частицы двум ключевым процессам: квантовой запутанности и обращению времени вспять.
Прежде чем вы начнете покупать DeLoreans для скачка назад в будущее, вынуждены разочаровать, они не нашли способа повернуть время вспять. Скорее всего, физики манипулировали квантово запутанными атомами таким образом, что частицы вели себя так, как если бы они эволюционировали назад во времени. Поскольку исследователи эффективно перематывали пленку атомных колебаний, любые изменения в этих колебаниях усиливались таким образом, что их можно было легко измерить.
В статье, опубликованной в журнале Nature Physics, команда демонстрирует, что метод, который они назвали SATIN (усиление сигнала за счет обращения времени вспять), является наиболее чувствительным методом измерения квантовых флуктуаций, разработанным на сегодняшний день.
Техника могла бы повысить точность текущего состояния атомных часов на 15 знаков, что делает их измерения такими точными, что в течение всего периода вселенной часы будут отставать меньше, чем на 20 миллисекунд. Этот метод также может быть использован для дальнейшей фокусировки квантовых датчиков, предназначенных для обнаружения гравитационных волн, темной материи и других физических явлений.
Запутанные хронометры
Определенный тип атома вибрирует с определенной и постоянной частотой, которая при правильном измерении может служить очень точным маятником, отсчитывающим время с гораздо более короткими интервалами, чем секундная стрелка кухонных часов. Но в масштабе одного атома вступают в силу законы квантовой механики, и колебания атома меняются. Только проведя множество измерений атома, ученые могут получить оценку его фактических колебаний — ограничение, известное как Стандартный квантовый предел.
В современных атомных часах физики измеряют колебания тысяч ультрахолодных атомов много раз, чтобы увеличить свои шансы на получение точных измерений. Тем не менее, эти системы имеют некоторую неопределенность.
В 2020 году группа Вулетика показала, что точность современных атомных часов может быть улучшена за счет запутывания атомов — квантового явления, при котором частицы вынуждены вести себя в коллективном, сильно коррелированном состоянии. В этом запутанном состоянии колебания отдельных атомов должны смещаться в сторону общей частоты, для точного измерения которой потребуется гораздо меньше попыток.
То есть инструменты, используемые для измерения атомных колебаний, не были достаточно чувствительными, чтобы считывать или измерять любые тонкие изменения в коллективных колебаниях атомов.
Смена знака
В исследовании, вместо того, чтобы пытаться улучшить разрешение существующих инструментов считывания, команда стремилась усилить сигнал от любого изменения колебаний, чтобы их можно было считывать современными инструментами. Они сделали это, используя еще одно любопытное явление в квантовой механике: обращение времени вспять.
Считается, что чисто квантовая система, такая как группа атомов, которая полностью изолирована от повседневного классического шума, должна развиваться вперед во времени предсказуемым образом, а взаимодействия атомов (например, их колебания) должны точно описываться “гамильтонианом” системы — по сути, математическое описание полной энергии системы.
В 1980-х годах теоретики предсказали, что если бы гамильтониан системы был обращен вспять, и та же самая квантовая система была бы деэволюционирована, это было бы так, как если бы система возвращалась назад во времени.
“В квантовой механике, если вы знаете гамильтониан, то вы можете отслеживать, что делает система во времени, например, квантовую траекторию”, – объясняет Педрозо-Пеньяфиэль. “Если эта эволюция полностью квантовая, квантовая механика говорит вам, что вы можете деэволюционировать или вернуться назад и вернуться в исходное состояние”.
“И идея заключается в том, что если бы вы могли изменить знак гамильтониана, каждое небольшое возмущение, возникшее после того, как система эволюционировала вперед, усилилось бы, если бы вы вернулись назад во времени”, – добавляет Коломбо.
Для своего нового исследования команда изучила 400 ультрахолодных атомов иттербия, одного из двух типов атомов, используемых в современных атомных часах. Они охладили атомы чуть выше абсолютного нуля, при температурах, при которых большинство классических эффектов, таких как тепло, исчезают, а поведение атомов определяется исключительно квантовыми эффектами.
Команда использовала систему лазеров для улавливания атомов, а затем направила “запутывающий” свет с синим оттенком, который заставил атомы колебаться в коррелированном состоянии. Они позволили запутанным атомам эволюционировать вперед во времени, затем подвергли их воздействию небольшого магнитного поля, которое внесло крошечное квантовое изменение, слегка изменив коллективные колебания атомов.
Такой сдвиг было бы невозможно обнаружить с помощью существующих измерительных инструментов. Вместо этого команда применила обращение времени вспять, чтобы усилить этот квантовый сигнал. Чтобы сделать это, они послали другой лазер с красным оттенком, который стимулировал распутывание атомов, как будто они эволюционировали назад во времени.
Затем они измерили колебания частиц, когда они возвращались в свои неупорядоченные состояния, и обнаружили, что их конечная фаза заметно отличалась от начальной фазы — явное свидетельство того, что где-то в их эволюции произошло квантовое изменение.
Команда повторила этот эксперимент тысячи раз, с облаками в диапазоне от 50 до 400 атомов, каждый раз наблюдая ожидаемое усиление квантового сигнала. Они обнаружили, что их запутанная система была в 15 раз более чувствительной, чем аналогичные не запутанные атомные системы. Если их система будет применена к современным атомным часам, это сократит количество измерений, требуемых для этих часов, в 15 раз.
В дальнейшем исследователи надеются протестировать свой метод на атомных часах, а также в квантовых датчиках, например, для темной материи.
“Облако темной материи, проплывающее мимо Земли, может локально изменить время, и некоторые люди сравнивают часы, скажем, в Австралии с другими в Европе и США, чтобы посмотреть, смогут ли они заметить внезапные изменения в течении времени”, – говорит Вулетич. “методика как раз подходит для этого, потому что вам нужно измерять быстро меняющиеся временные колебания по мере того, как облако пролетает мимо”.
Статья: Simone Colombo et al, Time-reversal-based quantum metrology with many-body entangled states, Nature Physics (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01653-5
