Что случилось

Впервые ученые перепутали атомы для использования в качестве сетевых квантовых датчиков, в частности, атомных часов и акселерометров.

Экспериментальная установка исследовательской группы позволила получить сверхточные измерения времени и ускорения. По сравнению с аналогичной установкой, которая не использует квантовую запутанность, их измерения времени были в 3,5 раза точнее, а измерения ускорения показали в 1,2 раза большую точность.

Результат, опубликованный в Природа, поддерживается Q-NEXT, Национальным исследовательским центром квантовой информатики Министерства энергетики США (DOE), возглавляемым Аргоннской национальной лабораторией DOE. Исследование было проведено учеными из Стэнфордского университета, Корнельского университета и Брукхейвенской национальной лаборатории ДОУ.

"Эффект от использования запутанности в этой конфигурации заключался в том, что она обеспечивала лучшую производительность сенсорной сети, чем была бы доступна, если бы квантовая запутанность не использовалась в качестве ресурса", - сказал Марк Касевич, ведущий автор статьи, член Q-NEXT, профессор Уильяма Р. Кенана-младшего в Стэнфордском университете. Школа гуманитарных и естественных наук и профессор физики и прикладной физики. "Для атомных часов и акселерометров наша демонстрация является новаторской".

Что такое квантовая запутанность? Как это применимо к датчикам?

• Запутанность, особое свойство природы на квантовом уровне, представляет собой корреляцию между двумя или более объектами. Когда два атома запутаны, можно измерить свойства обоих атомов, наблюдая только за одним. Это верно независимо от того, какое расстояние - даже если это световые годы - разделяет запутанные атомы.
• Полезная повседневная аналогия: красный и синий мраморы помещены в коробку. Если вы достанете из коробки красный шарик, вы знаете, даже не глядя на другой, что он синий. Цвет шариков коррелирован или запутан.
• В квантовой сфере запутанность более тонкая. Атом может принимать несколько состояний (цветов) одновременно. Если бы наши шарики были подобны атомам, каждый шарик был бы одновременно и красным, и синим. Ни один из них не является полностью красным или синим, пока он находится в коробке. Квантовый мрамор "определяет" свой цвет только в момент раскрытия. И как только вы нарисуете один шарик "определенного" цвета, вы узнаете цвет его спутанного партнера.
• Измерение одного члена запутанной пары фактически означает одновременное считывание обоих.
• Развивая это дальше: Два взаимосвязанных будильника практически эквивалентны одним часам с двумя дисплеями. Измерения времени, выполненные с использованием запутанных часов, могут быть более точными, чем измерения с помощью двух отдельных синхронизированных часов.

Почему это имеет значение

Повышение чувствительности атомных часов и акселерометров привело бы к созданию более точных систем хронометража и навигации, таких как те, которые используются в системах глобального позиционирования, в обороне и в широковещательной связи. Сверхточные часы также используются в финансах и торговле.

"GPS сообщает мне, где я сейчас нахожусь, примерно с точностью до метра", - сказал Касевич. "Но что, если я захочу знать, где я нахожусь с точностью до 10 сантиметров? Вот каково было бы влияние более совершенных часов".

Замечание о сверхточных часах

Можно отметить течение времени, подсчитав количество импульсов в электромагнитной волне, точно так же, как вы бы считали тиканье часов. Если вы знаете, что конкретная волна пульсирует 6 миллиардов раз в секунду, вы знаете, что, как только вы насчитаете 6 миллиардов гребней волны, прошла одна секунда. Таким образом, знание точной частоты микроволновой печи дает точный способ отслеживать время.

Как это работает

Запутанность: Атомы рубидия, захваченные внутри полости, разделены на две группы примерно по 100 000 атомов в каждой. Группы сидят между двумя зеркалами. Свет отскакивает назад и вперед между зеркалами, прослеживая свой путь через группы атомов при каждом выстреле. Рикошетирующий свет запутывает их.

Ощущение: Микроволновая рябь проходит через две группы атомов. Атомы, которые случайно резонируют с определенной частотой микроволновой печи, реагируют, переходя в другое состояние, подобно бокалу для вина, который вибрирует, когда сопрано берет нужную ноту.

Аналогично, когда к атомным группам прикладывается определенное ускорение, некоторая доля атомов в каждой группе реагирует изменением состояния.

Измерение: Две запутанные атомные группы ведут себя как два циферблата одних часов или два показания одного акселерометра.

Исследовательская группа измерила количество атомов, изменивших состояние - тех, которые вибрировали, как бокал для вина, - в каждой группе.

Затем они использовали эти цифры для вычисления разницы в микроволновых частотах, применяемых к двум группам, и, следовательно, разницы в показаниях групп о времени или ускорении.

Повышенная точность: Команда Касевича обнаружила, что запутывание повышает точность в разнице частот или ускорений, считываемых дисплеями.

В их установке измерение времени в двух местах было в 3,5 раза точнее, когда часы были перепутаны, чем если бы они работали независимо. Что касается ускорения, то при запутывании измерение было в 1,2 раза точнее.

Влияние

"Если вы хотите знать, сколько времени что-то занимает, вы можете посмотреть на одни часы в качестве отправной точки, а затем побежать в другую комнату, чтобы посмотреть на другие часы, конечную точку", - сказал Касевич. "Наш метод использует принцип запутывания, чтобы сделать это сравнение максимально точным".

Исследователи также успешно объединили в сеть четыре группы атомов в четырех отдельных местах, используя эту конфигурацию.

В эксперименте команды две группы атомов были разделены примерно на 20 микрометров, что близко к средней ширине человеческого волоса.

Их работа означает, что время или ускорение можно сравнить с беспрецедентной чувствительностью между четырьмя отдельными, хотя и близкими друг к другу местоположениями.

"В будущем мы хотим вывести их на более дальние расстояния. Миру нужны часы, время которых можно сравнивать. То же самое и с акселерометрами. Существуют конфигурации датчиков, в которых вы хотите иметь возможность считывать разницу в ускорении одной группы по отношению к другой. Мы смогли показать, как это сделать", - сказал Касевич.

"Это выдающийся результат Марка и его команды", - сказала заместитель директора Q-NEXT Джоан Хьюитт, которая также является заместителем директора Национальной ускорительной лаборатории SLAC по фундаментальной физике и главным научным сотрудником, а также профессором физики элементарных частиц и астрофизики в Стэнфорде. "Это означает, что мы можем использовать запутанность для разработки датчиков, которые намного мощнее тех, которые мы используем сегодня. Мы еще на шаг приблизились к использованию квантовых явлений для улучшения нашей повседневной жизни".

Эта работа была поддержана Национальным исследовательским центром квантовой информатики Министерства образования и науки США в рамках центра Q-NEXT.