Усовершенствованное распознавание запутывания открывает путь для усовершенствованных квантовых датчиков

Автор: Инсбрукский университет, 30 августа 2023 г.

Физики Инсбрука запутали все частицы в цепочке друг с другом и создали так называемое сжатое квантовое состояние. Фото: Стивен Берроуз и Rey Group/JILA

Метрологические учреждения по всему миру управляют нашим временем, используя атомные часы, основанные на естественных колебаниях атомов. Эти часы, имеющие решающее значение для таких приложений, как спутниковая навигация или передача данных, недавно были улучшены за счет использования все более высоких частот колебаний в оптических атомных часах.

Now, scientists at the University of Innsbruck and the Institute of Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) of the Austrian Academy of Sciences led by Christian Roos show how a particular way of creating entanglement can be used to further improve the accuracyHow close the measured value conforms to the correct value." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Точность измерений является неотъемлемой частью функции оптических атомных часов.

Наблюдения за квантовыми системами всегда подвержены определенной статистической неопределенности. «Это связано с природой квантового мира», — объясняет Йоханнес Франке из команды Кристиана Рооса. «Запутывание может помочь нам уменьшить эти ошибки».

При поддержке теоретика Аны Марии Рей из JILA в Боулдере, США, физики Инсбрука проверили точность измерений на запутанном ансамбле частиц в лаборатории. Исследователи использовали лазеры, чтобы настроить взаимодействие ионов, выстроенных в вакуумной камере, и запутать их.

«Взаимодействие между соседними частицами уменьшается с увеличением расстояния между частицами. Поэтому мы использовали спин-обменные взаимодействия, чтобы позволить системе вести себя более коллективно», — объясняет Рафаэль Каубрюггер с факультета теоретической физики Университета Инсбрука.

Таким образом, все частицы в цепочке запутались друг с другом и образовали так называемое сжатое квантовое состояние. Используя это, физики смогли показать, что ошибки измерений можно уменьшить примерно вдвое, запутывая 51 ион по отношению к отдельным частицам. Раньше восприятие, усиленное запутыванием, в основном полагалось на бесконечные взаимодействия, ограничивая его применимость только определенными квантовыми платформами.

Квантовые физики из Инсбрука своими экспериментами продемонстрировали, что квантовая запутанность делает датчики еще более чувствительными. «В наших экспериментах мы использовали оптический переход, который также используется в атомных часах», — говорит Кристиан Роос. Эта технология может улучшить области, в которых в настоящее время используются атомные часы, такие как спутниковая навигация или передача данных. Более того, эти усовершенствованные часы могут открыть новые возможности в таких областях, как поиск темной материи или определение временных изменений фундаментальных констант.

Кристиан Роос и его команда теперь хотят протестировать новый метод на двумерных ионных ансамблях. Текущие результаты были опубликованы в журнале Nature. В том же выпуске исследователи опубликовали очень похожие результаты, используя нейтральные атомы. Исследования в Инсбруке финансировались, в частности, Австрийским научным фондом FWF и Федерацией австрийской промышленности Тироля.

Ссылка: «Квантовое зондирование оптических переходов посредством взаимодействий конечного радиуса действия», Йоханнес Франке, Шон Р. Муледи, Рафаэль Каубрюггер, Флориан Кранцль, Райнер Блатт, Ана Мария Рей, Манодж К. Джоши и Кристиан Ф. Роос, 30 августа 2023, Природа.DOI: 10.1038/s41586-023-06472-z