Физики создают рекордные квантовые движения

Физик NIST Кэти Маккормик настраивает зеркало, чтобы направлять лазерный луч, используемый для охлаждения захваченного иона бериллия (электрически заряженный атом). Маккормик и его коллеги получили возможность продемонстрировать рекордные уровни квантового движения, что может улучшить квантовые измерения и квантовые вычисления. Предоставлено: Burrus / NIST

Демонстрируя точное управление на квантовом уровне, физики из Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали метод, позволяющий иону (электрически заряженному атому) отображать точные величины движения на квантовом уровне - любое конкретное количество до 100 пакетов. энергия или "кванта", более чем в пять раз превышает предыдущий рекорд 17.

Квантовая механика, фундаментальная теория атомного мира, утверждает, что энергия высвобождается или поглощается в крошечных пакетах или пакетах, называемых квантами. Атомы выделяют световую энергию, излучая фотоны или кванты света. Когда исследователи попадают в ловушку, энергия движения атомов переносится фононами или квантами движения.

В дополнение к созданию отдельных чисел квантов команда NIST контролировала маятниковое движение своего иона, чтобы одновременно демонстрировать два разных количества движущихся квантов: ноль (минимальное движение) плюс любое число до 18. Такая « суперпозиция » двух состояний отличительная черта любопытного квантового мира.

Опубликованный 22 июля в сети Nature , новые методы могут быть использованы с любым квантовомеханическим генератором, включая системы, которые колеблются, как простой маятник, или вибрируют, как пружина. Методы могут привести к новым типам квантовых симуляторов и датчиков, использующих фононы в качестве носителей информации. Кроме того, возможность настройки состояний суперпозиции может улучшить квантовые измерения и обработку квантовой информации. Использование иона в суперпозиции в качестве инструмента измерения частоты более чем удвоило точность по сравнению с обычными измерениями частоты колебаний иона.

«Если у нас есть квантовый контроль над объектом, мы можем« согнуть классические правила, чтобы снизить неопределенность в определенных желаемых направлениях за счет большей неопределенности в других направлениях», - сказала первая автор Кэти Маккормик. «Затем мы можем использовать квантовое состояние в качестве линейки для измерения свойств системы. Чем больше у нас квантового контроля, тем более плотно расположены линии на линейке, что позволяет нам измерять величины более точно».

Эксперименты проводились с одним бериллиевым ионом, находящимся на 40 микрометрах над золотыми электродами охлажденной электромагнитной ловушки. Новые результаты стали возможными благодаря тому, что исследователи NIST смогли минимизировать нежелательные факторы, такие как рассеянные электрические поля, которые обмениваются энергией и разрушают ион, сказал Маккормик.

Чтобы добавить фононы к иону, исследователи NIST чередовали ультрафиолетовые лазерные импульсы чуть выше и ниже разности частот между двумя «спиновыми» состояниями ионов или конфигурациями внутренней энергии. Каждый импульс переворачивал ион с «вращения вверх» на «вращения вниз» или наоборот, с каждым щелчком добавлялся один квант качающего движения иона. Чтобы создать суперпозиции, исследователи применили эти лазерные импульсы только к половине волновой функции иона (волнообразный характер вероятности расположения частицы и состояния спина). Другая половина волновой функции находилась в третьем спиновом состоянии, которое не подвергалось воздействию лазерных импульсов и оставалось неподвижным. Суперпозиции неподвижного (или основного) состояния иона и более высокое число фононов дали исследователям NIST "квантово-усиленную" чувствительность измерения, или точность. Они использовали ион в качестве интерферометра, инструмента, который расщепляет и объединяет две частичные волны для создания интерференционной картины, которую можно анализировать для характеристики частоты. Исследователи NIST использовали интерферометр для измерения частоты колебаний иона с неопределенностью, меньшей, чем обычно возможно.

В частности, точность измерения линейно возрастала с увеличением количества квантов движения, вплоть до наилучшей производительности в состоянии суперпозиции 0 и 12, что обеспечивало более чем двукратную чувствительность квантового состояния с классическим поведением (технически составленного из набора чисел). состояния). Это состояние суперпозиции 0 и 12 также было более чем в семь раз более точным, чем простейшая суперпозиция интерферометра 0 и 1.

Чтобы понять, почему состояния суперпозиции помогают более точно измерить частоту колебаний иона, Маккормик предлагает представить колесо со спицами.

«В некотором абстрактном пространстве, которое описывает положение и импульс иона, колебание представлено вращением», - сказал Маккормик. «Мы хотим иметь возможность очень точно измерить это вращение. Суперпозиции основного состояния движения иона и состояний с более высокими числами являются отличной линейкой для этого измерения, потому что в этом абстрактном представлении их можно представить как колесо со спицами. Спицы могут использоваться для определения величины, на которую вращается состояние. И чем выше число, тем больше спиц и тем точнее мы можем измерить это вращение ».

Чувствительность измерения, предлагаемая состояниями суперпозиции, должна помочь в характеристике и уменьшении шума в движении, важного источника ошибок, который исследователи хотят минимизировать при обработке квантовой информации с захваченными ионами.