Скручивание и связывание волн материи с фотонами в полости

Точное измерение энергетических состояний отдельных атомов исторически было проблемой для физиков из-за атомного отскока. Когда атом взаимодействует с фотоном, атом «отскакивает» в противоположном направлении, что затрудняет точное измерение положения и импульса атома. Этот отскок может иметь большое значение для квантового зондирования, которое обнаруживает мельчайшие изменения параметров, например, используя изменения гравитационных волн для определения формы Земли или даже обнаружения темной материи.

В новой статье, опубликованной в Науки, Сотрудники JILA и NIST Ана Мария Рей и Джеймс Томпсон, сотрудник JILA Мюррей Холланд и их команда предложили способ преодолеть этот атомный отскок, продемонстрировав новый тип атомного взаимодействия, называемый взаимодействием обмена импульсом, в котором атомы обмениваются своим импульсом путем обмена соответствующие фотоны.

Используя полость — замкнутое пространство, состоящее из зеркал — исследователи заметили, что отдача атомов подавляется атомами, обменивающимися энергетическими состояниями внутри узкого пространства. Этот процесс создал коллективное поглощение энергии и распределил отдачу между всеми частицами.

Используя эти результаты, другие исследователи могут создавать полости для смягчения отскока и других внешних воздействий в широком спектре экспериментов, что может помочь физикам лучше понять сложные системы или открыть новые аспекты квантовой физики. Улучшенная конструкция полости также может обеспечить более точное моделирование сверхпроводимости, например, в случае перехода Бозе-Эйнштейна-Конденсата-Бардина-Купера-Шрифта (BEC-BCS) или физических систем высоких энергий.

Впервые было замечено, что взаимодействие по обмену импульсом вызывает динамику одноосного кручения (ОАТ), аспект квантовой запутанности, между состояниями атомного импульса. Овсянка действует как квантовая коса, запутывая разные частицы, при этом каждое квантовое состояние скручивается и связывается с другой частицей.

Раньше ОАТ наблюдался только во внутренних состояниях атомов, но теперь, благодаря этим новым результатам, считается, что ОАТ, индуцированный обменом импульса, может помочь уменьшить квантовый шум от нескольких атомов. Способность запутывать состояния импульса также может улучшить некоторые физические измерения с помощью квантовых датчиков, таких как гравитационные волны.

Воспользуйтесь решеткой плотности

В рамках этого нового исследования, вдохновленного предыдущими исследованиями Томпсона и его команды, исследователи изучили эффекты квантовой суперпозиции, которая позволяет частицам, таким как фотоны или электроны, существовать в нескольких квантовых состояниях одновременно.

«В этом [new] По проекту, все атомы имеют одно и то же обозначение спина; «Единственная разница в том, что каждый атом находится в суперпозиции двух состояний импульса», — объяснил аспирант и первый автор Чэньцзе Луо.

Исследователи обнаружили, что они могут лучше контролировать отскок атомов, заставляя атомы обмениваться фотонами и связанной с ними энергией. Подобно игре в вышибалы, один атом может «бросить» вышибалу (фотон), и тот отскочит в противоположном направлении. Этот «вышибал» может быть пойман вторым атомом, что вызовет такой же отскок для этого второго атома. Это компенсирует отскоки, испытываемые обоими атомами, и усредняет их для всей системы полостей.

Когда два атома обмениваются разными энергиями фотонов, результирующий волновой пакет (волновое распределение атома) в суперпозиции образует график импульса, известный как решетка плотности, которая выглядит как гребень с мелкими зубьями.

«Формирование сети плотности указывает на два состояния импульса», — добавил Луо. [within the atom] Они настолько «сплочены» друг с другом, что могут вмешаться [with each other]Исследователи обнаружили, что обмен фотонами между атомами заставил волновые пакеты двух атомов соединиться, поэтому они больше не были отдельными измерениями.

Исследователи могут стимулировать обмен импульсом, исследуя взаимодействие между сетью плотности и оптическим резонатором. Поскольку атомы обмениваются энергией, любой отскок, вызванный поглощением фотонов, распределялся среди всего сообщества атомов, а не отдельных частиц.

Подавление доплеровского сдвига

Используя этот новый метод управления, исследователи обнаружили, что они также могут использовать эту систему уменьшения обратного рассеяния, чтобы помочь смягчить отдельную проблему измерения: доплеровский сдвиг.

Доплеровский сдвиг — явление классической физики — объясняет, почему сирена или поездной гудок меняют высоту звука, когда проходят мимо слушателя, или почему некоторые звезды кажутся красными или синими на фотографиях ночного неба — это изменение частоты волны, когда она проходит мимо слушателя. проходит мимо слушателя. Источник и наблюдатель движутся навстречу (или от) друг друга. В квантовой физике доплеровский сдвиг описывает изменение энергии частицы вследствие относительного движения.

Для таких исследователей, как Лу, доплеровский сдвиг может стать проблемой, которую необходимо преодолеть, чтобы получить точные измерения. «Когда фотоны поглощаются, отскок атомов приведет к доплеровскому сдвигу частоты фотонов, что является большой проблемой, когда мы говорим о точной спектроскопии», — пояснил он. Моделируя свой новый метод, исследователи обнаружили, что они могут преодолеть погрешность измерений из-за доплеровского сдвига.

Запутанный обмен импульсами

Исследователи также обнаружили, что обмен импульсом между этими атомами можно использовать как форму квантовой запутанности. Как сказал Джон Уилсон, аспирант из группы Холланда: «Когда атом падает, его движение вызывает вибрацию частоты полости. Это, в свою очередь, побуждает другие атомы коллективно ощущать механизм обратной связи и побуждает их коррелировать его движение через общие колебания».

Чтобы еще больше проверить эту «запутанность», исследователи создали большее разделение между состояниями импульса атомов, а затем катализировали обмен импульсами. Исследователи обнаружили, что атомы продолжали вести себя так, как если бы они были связаны. «Это говорит о том, что два состояния импульса действительно колеблются друг относительно друга, как если бы они были связаны пружиной», — добавил Луо.

Заглядывая в будущее, исследователи планируют и дальше исследовать эту новую форму квантовой запутанности в надежде лучше понять, как ее можно использовать для улучшения различных типов квантовых устройств.