Οι φυσικοί αξιοποιούν την κβαντική «χρονική αντιστροφή» για να μετρήσουν τα δονούμενα άτομα

Οι ερευνητές του MIT χρησιμοποίησαν ένα σύστημα λέιζερ για να εμπλέξουν πρώτα και στη συνέχεια να αντιστρέψουν την εξέλιξη ενός νέφους από υπερψυχρά άτομα. Πίστωση: Simone Colombo

Οι κβαντικές δονήσεις στα άτομα περιέχουν έναν μικροσκοπικό κόσμο πληροφοριών. Εάν οι επιστήμονες μπορούν να μετρήσουν με ακρίβεια αυτές τις ατομικές ταλαντώσεις και την εξέλιξή τους με την πάροδο του χρόνου, μπορούν να βελτιώσουν την ακρίβεια των ατομικών ρολογιών καθώς και των κβαντικών αισθητήρων, που είναι συστήματα ατόμων των οποίων οι διακυμάνσεις μπορούν να υποδηλώνουν την παρουσία σκοτεινής ύλης, ένα διερχόμενο βαρυτικό κύμα ή ακόμα και νέα και απροσδόκητα φαινόμενα.


Ένα σημαντικό εμπόδιο στο δρόμο για καλύτερες κβαντικές μετρήσεις είναι ο θόρυβος του κλασικό κόσμοπου μπορεί εύκολα να κατακλύσει τις λεπτές ατομικές δονήσεις, καθιστώντας οποιαδήποτε αλλαγή σε αυτές τις δονήσεις διαβολικά δύσκολο να ανιχνευθεί.

Σήμερα, οι φυσικοί στο MIT έχουν δείξει ότι μπορούν να ενισχύσουν σημαντικά τις κβαντικές αλλαγές στις ατομικές δονήσεις, υποβάλλοντας τα σωματίδια σε δύο βασικές διαδικασίες: κβαντική εμπλοκή και χρονική αντιστροφή.

Πριν ξεκινήσουν να ψωνίζουν για DeLoreans, όχι, δεν βρήκαν τρόπο να αντιστρέψουν τον ίδιο τον χρόνο. Αντ ‘αυτού, οι φυσικοί χειρίστηκαν τα κβαντικά εμπλεκόμενα άτομα έτσι ώστε τα σωματίδια να συμπεριφέρονται σαν να κινούνται προς τα πίσω στο χρόνο. Καθώς οι ερευνητές ξανατύλιξαν αποτελεσματικά την ταινία των ατομικών ταλαντώσεων, οποιεσδήποτε αλλαγές σε αυτές τις ταλαντώσεις ενισχύθηκαν, με τρόπο που θα μπορούσε εύκολα να μετρηθεί.

Σε άρθρο που δημοσιεύτηκε σήμερα στο Φυσική ΦυσικήΗ ομάδα αποδεικνύει ότι η τεχνική, την οποία ονόμασαν SATIN (για την ενίσχυση του σήματος χρονικής αντιστροφής), είναι η πιο ευαίσθητη μέθοδος για τη μέτρηση των κβαντικών διακυμάνσεων που έχει αναπτυχθεί μέχρι σήμερα.

Η τεχνική θα μπορούσε να βελτιώσει την ακρίβεια της τρέχουσας κατάστασης της τέχνης ατομικά ρολόγια κατά ένα συντελεστή 15, καθιστώντας τον χρονισμό τους τόσο ακριβή που σε όλη την ηλικία του σύμπαντος τα ρολόγια θα ήταν κλειστά κατά λιγότερο από 20 χιλιοστά του δευτερολέπτου. Η μέθοδος θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για την περαιτέρω εστίαση κβαντικών αισθητήρων που έχουν σχεδιαστεί για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων, μαύρη ύληκαι άλλα φυσικά φαινόμενα.

«Πιστεύουμε ότι αυτό είναι το παράδειγμα του μέλλοντος», λέει ο κύριος συγγραφέας Vladan Vuletic, καθηγητής φυσικής Lester Wolfe στο MIT. «Οποιαδήποτε κβαντική παρεμβολή που λειτουργεί με πολλά άτομα μπορεί να ωφεληθεί από αυτήν την τεχνική».

Οι συν-συγγραφείς του MIT της μελέτης περιλαμβάνουν τον πρώτο συγγραφέα Simone Colombo, Edwin Pedrozo-Peñafiel, Albert Adiyatullin, Zeyang Li, Enrique Mendez και Chi Shu.

Μπλεγμένοι Χρονομετρητές

Ένας δεδομένος τύπος ατόμου δονείται σε μια συγκεκριμένη, σταθερή συχνότητα η οποία, εάν μετρηθεί σωστά, μπορεί να χρησιμεύσει ως ένα πολύ ακριβές εκκρεμές, διατηρώντας το χρόνο σε διαστήματα πολύ μικρότερα από το δευτερόλεπτο ενός ρολογιού κουζίνας. Αλλά στην κλίμακα ενός μεμονωμένου ατόμου, οι νόμοι της κβαντικής μηχανικής κυριαρχούν και το άτομο ταλάντωση αλλάζει σαν την όψη ενός νομίσματος κάθε φορά που ανατρέπεται. Μόνο με τη λήψη πολλών μετρήσεων ενός ατόμου μπορούν οι επιστήμονες να λάβουν μια εκτίμηση της πραγματικής ταλάντωσής του – έναν περιορισμό που είναι γνωστός ως το τυπικό κβαντικό όριο.

Στα υπερσύγχρονα ατομικά ρολόγια, οι φυσικοί μετρούν την ταλάντωση χιλιάδων υπερψυχρά άτομα, αρκετές φορές, για να αυξήσουν τις πιθανότητές τους να λάβουν ακριβή μέτρηση. Ωστόσο, αυτά τα συστήματα έχουν κάποια αβεβαιότητα και ο χρονισμός τους θα μπορούσε να είναι πιο ακριβής.

Το 2020, η ομάδα του Vuletic έδειξε ότι η ακρίβεια των σημερινών ατομικών ρολογιών θα μπορούσε να βελτιωθεί με την εμπλοκή ατόμων, ένα κβαντικό φαινόμενο μέσω του οποίου τα σωματίδια αναγκάζονται να συμπεριφέρονται σε μια εξαιρετικά συσχετισμένη συλλογική κατάσταση. Σε αυτή τη μπερδεμένη κατάσταση, οι ταλαντώσεις των μεμονωμένων ατόμων θα πρέπει να κινούνται σε μια κοινή συχνότητα που θα απαιτούσε πολύ λιγότερες προσπάθειες για να μετρηθούν με ακρίβεια.

«Εκείνη την εποχή, ήμασταν ακόμη περιορισμένοι από την ποιότητα της ανάγνωσης της φάσης του ρολογιού», λέει ο Vuletic.

Με άλλα λόγια, τα εργαλεία που χρησιμοποιήθηκαν για τη μέτρηση των ατομικών ταλαντώσεων δεν ήταν αρκετά ευαίσθητα για να διαβάσουν ή να μετρήσουν τυχόν λεπτές αλλαγές στις συλλογικές ταλαντώσεις των ατόμων.

αντιστρέψτε το πρόσημο

Στη νέα τους μελέτη, αντί να προσπαθήσει να βελτιώσει την ανάλυση των υπαρχόντων εργαλείων ανάγνωσης, η ομάδα προσπάθησε να ενισχύσει το σήμα οποιωνδήποτε αλλαγών στις ταλαντώσεις, ώστε να μπορούν να διαβαστούν από τα τρέχοντα εργαλεία. Το έκαναν αυτό εκμεταλλευόμενοι ένα άλλο περίεργο φαινόμενο της κβαντικής μηχανικής: την αντιστροφή του χρόνου.

Πιστεύεται ότι ένα καθαρά κβαντικό σύστημα, όπως μια ομάδα ατόμων εντελώς απομονωμένα από τον καθημερινό κλασικό θόρυβο, θα πρέπει να εξελίσσεται με την πάροδο του χρόνου με προβλέψιμο τρόπο και οι αλληλεπιδράσεις των ατόμων (όπως οι ταλαντώσεις τους) πρέπει να περιγράφονται ακριβώς από το Σύστημα. Hamiltonian» – ουσιαστικά, μια μαθηματική περιγραφή της συνολικής ενέργειας του συστήματος.

Στη δεκαετία του 1980, οι θεωρητικοί προέβλεψαν ότι αν αντιστραφεί το Hamiltonian ενός συστήματος, και το ίδιο κβαντικό σύστημα αν εξελισσόταν, θα ήταν σαν να γυρνούσε το σύστημα πίσω στο χρόνο.

«Στην κβαντομηχανική, αν γνωρίζετε το Hamiltonian, μπορείτε να παρακολουθήσετε αυτό που κάνει το σύστημα με την πάροδο του χρόνου, όπως μια κβαντική τροχιά», λέει ο Pedrozo-Peñafiel. «Αν αυτή η εξέλιξη είναι εντελώς κβαντική, Κβαντική μηχανική σου λέει ότι μπορείς να απο-εξελιχθείς ή να επιστρέψεις και να επιστρέψεις στην αρχική κατάσταση».

«Και η ιδέα είναι ότι αν μπορούσατε να αντιστρέψετε το πρόσημο του Χαμιλτονιανού, κάθε μικρή αναταραχή που συνέβη μετά την εξέλιξη του συστήματος θα ενίσχυε εάν γυρνούσατε πίσω στο χρόνο», προσθέτει ο Κολόμπο.

Για τη νέα τους μελέτη, η ομάδα μελέτησε 400 υπερψυχρά άτομα υττερβίου, ένα από τα δύο είδη ατόμων που χρησιμοποιούνται στα σημερινά ατομικά ρολόγια. Ψύξανε τα άτομα σε πλάτος μόλις μιας τρίχας πάνω από το απόλυτο μηδέν, σε θερμοκρασίες όπου τα περισσότερα κλασικά φαινόμενα όπως η θερμότητα εξασθενούν και η συμπεριφορά των ατόμων διέπεται αποκλειστικά από κβαντικά φαινόμενα.

Η ομάδα χρησιμοποίησε ένα σύστημα λέιζερ για να παγιδεύσει τα άτομα και στη συνέχεια έστειλε μπλε-χρωματισμένο «μπλεγμένο» φως, το οποίο ανάγκασε τα άτομα να ταλαντωθούν σε μια συσχετισμένη κατάσταση. Άφησαν τα μπερδεμένα άτομα να εξελιχθούν με την πάροδο του χρόνου και μετά τα εξέθεσαν σε ένα μικρό μαγνητικό πεδίο, το οποίο εισήγαγε μια μικροσκοπική κβαντική μετατόπιση, μετατοπίζοντας ελαφρά τις συλλογικές ταλαντώσεις των ατόμων.

Μια τέτοια μετατόπιση θα ήταν αδύνατο να εντοπιστεί με τα υπάρχοντα εργαλεία μέτρησης. Αντίθετα, η ομάδα έκανε αίτηση χρονική αντιστροφή για να ενισχύσει αυτό το κβαντικό σήμα. Για να γίνει αυτό, έστειλαν ένα άλλο κόκκινο λέιζερ που διέγειρε τα άτομα να ξετυλιχτούν, σαν να κινούνταν προς τα πίσω στο χρόνο.

Στη συνέχεια μέτρησαν τις ταλαντώσεις των σωματιδίων καθώς επέστρεφαν στις μη εμπλεκόμενες καταστάσεις τους και διαπίστωσαν ότι η τελική τους φάση ήταν σημαντικά διαφορετική από την αρχική τους φάση – σαφής απόδειξη ότι μια κβαντική μετατόπιση είχε συμβεί κάπου στην εξέλιξή τους, προς τα εμπρός.

Η ομάδα επανέλαβε αυτό το πείραμα χιλιάδες φορές, με τα σύννεφα να κυμαίνονται από 50 έως 400 άτομα, κάθε φορά παρατηρώντας την αναμενόμενη ενίσχυση του κβαντικού σήματος. Διαπίστωσαν ότι το εμπλεκόμενο σύστημά τους ήταν έως και 15 φορές πιο ευαίσθητο από παρόμοια μη εμπλεκόμενα ατομικά συστήματα. Εάν το σύστημά τους εφαρμοζόταν σε ατομικά ρολόγια τελευταίας τεχνολογίας, θα μείωνε τον αριθμό των μετρήσεων που απαιτούνται για αυτά τα ρολόγια κατά 15.

Στο μέλλον, οι ερευνητές ελπίζουν να δοκιμάσουν τη μέθοδό τους σε ατομικά ρολόγια, καθώς και σε κβαντικούς αισθητήρεςγια παράδειγμα για τη σκοτεινή ύλη.

«Ένα σύννεφο σκοτεινής ύλης που επιπλέει κοντά στη Γη θα μπορούσε να αλλάξει την ώρα τοπικά, και αυτό που κάνουν μερικοί άνθρωποι είναι να συγκρίνουν τα ρολόγια, για παράδειγμα, στην Αυστραλία με άλλα στην Ευρώπη και τις Ηνωμένες Πολιτείες για να δουν αν μπορούν να ανιχνεύσουν ξαφνικές αλλαγές στον τρόπο που περνά ο χρόνος », λέει ο Vuletic. . «Η τεχνική μας ταιριάζει απόλυτα σε αυτό, γιατί πρέπει να μετράς τις γρήγορες αλλαγές χρόνος παραλλαγές καθώς περνά το σύννεφο».


Ένας νέος τύπος ατομικού ρολογιού θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να ανιχνεύσουν τη σκοτεινή ύλη και να μελετήσουν την επίδραση της βαρύτητας στον χρόνο


Περισσότερες πληροφορίες:
Simone Colombo et al, Κβαντική μετρολογία βασισμένη σε αντιστροφή χρόνου με μπερδεμένες καταστάσεις πολλών σωμάτων, Φυσική Φυσική (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01653-5

Παραθέτω, αναφορά: Physicists Harness Quantum ‘Time Reversal’ to Measure Vibrating Atoms (2022, 14 Ιουλίου) Ανακτήθηκε στις 15 Ιουλίου 2022 από https://phys.org/news/2022-07-physicists-harness-quantum-reversal-vibrating .html

Αυτό το έγγραφο υπόκειται σε πνευματικά δικαιώματα. Εκτός από την ορθή χρήση για σκοπούς ιδιωτικής μελέτης ή έρευνας, κανένα μέρος δεν επιτρέπεται να αναπαραχθεί χωρίς γραπτή άδεια. Το περιεχόμενο παρέχεται μόνο για ενημέρωση.

READ  Οι ερευνητές ανακαλύπτουν μια νέα μορφή πάγου

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται.