대부분의 사람들에게 양자역학은 꽤 이상해 보입니다. 어떤 의미에서는 양자 입자가 여러 위치에 동시에 존재할 수 있다는 비편재화 원리를 생각해 보세요. 그런 다음 얽힘이 있습니다. 즉, 먼 거리에 걸쳐 한 입자의 상태가 다른 입자의 상태를 결정할 수 있게 하는 입자 간의 보이지 않는 연결입니다. 그러나 비국재화와 얽힘만큼 이상하지만 매우 유용할 수 있으며, 미국 콜로라도주 볼더에 있는 JILA의 물리학자들은 이제 처음으로 이 두 가지를 단일 양자 센서에 통합했습니다. 새로운 센서는 양자 변동으로 인해 발생하는 잡음으로 설정된 일반적인 한계 이하의 가속도를 감지할 수 있어 기본 물리학 탐구는 물론 탐색 및 지구 모니터링과 같은 응용 분야를 위한 보다 날카로운 도구를 제공합니다.

JILA 팀의 실험 설정은 일반 간섭계가 빛의 광선을 간섭하는 것과 같은 방식으로 거대한 양자 입자를 간섭하는 물질파 간섭계를 사용합니다. 빛 기반 간섭계는 중력파를 감지하는 데 사용되므로 매우 민감할 수 있지만, 물질파 등가물은 질량이 있는 입자의 양자 파장이 훨씬 짧기 때문에 원칙적으로 더 작은 가속도도 감지할 수 있습니다. 따라서 이러한 센서는 현재 직접적으로 감지할 수 없지만 중력 효과를 통해 그 존재를 알리는 암흑 물질 및 암흑 에너지와 같은 현상을 검색할 수 있는 방법을 제공합니다.

소음을 줄이십시오

실험에서 원자는 먼저 빛이 그 사이에 갇혀 있는 반대 거울 세트인 광학 공동 내부에 배치됩니다. 이 거울 사이에서 반사되는 빛은 원자와 상호 작용하여 거의 1000개의 거울이 서로 얽히게 됩니다.

양자 센서의 최대 감도는 일반적으로 측정할 때마다 개별 원자의 양자 상태가 무작위로 붕괴되어 발생하는 소음에 의해 제한됩니다. 이전 실험에서는 많은 원자를 사용하여 실험을 여러 번 병렬로 실행한 다음 각 개별 원자의 양자 잡음을 평균화하여 이 양자 잡음을 줄이려고 했습니다.

그러나 JILA 팀의 실험에서 연구원들은 원자가 실제로 서로 공모하여 서로의 양자 잡음을 상쇄하는 두 가지 대안을 테스트했습니다. 첫 번째 접근 방식에는 소위 양자 비파괴 측정이 포함되었습니다. 이 방법에서는 연구원들이 원자와 관련된 양자 잡음을 사전 측정한 다음 최종 측정에서 이 양자 잡음을 뺍니다. 두 번째 방법에서 연구원들은 XNUMX축 비틀림으로 알려진 원자 과정을 촉발하는 공동에 빛을 도입했습니다. 이는 서로 다른 운동 상태(또는 운동량 상태)에서 얽힌 원자가 원자가 있을 때보다 더 낮은 불확실성을 갖도록 합니다. 얽히지 않음.

결과적인 양자 상태는 효과적인 스핀 시스템을 형성하기 위해 본질적으로 함께 "압착"되는 두 가지 수준의 운동량 상태로 구성되기 때문에 압착 스핀 상태라고 합니다. JILA 팀의 실험에서 이러한 압착된 스핀 상태는 가속으로 인해 운동량 상태 사이에 발생하는 모든 양자 위상을 더 높은 정밀도로 측정할 수 있게 해줍니다. 두 가지 접근 방식 모두 원자 간의 얽힘으로 인해 원자 사이에 양자 잡음이 상호 연관되어 한 원자의 양자 잡음이 다른 원자의 양자 잡음에 의해 상쇄되어 양자 센서가 "더 조용"해지고 더 정확해집니다.

모든 곳에

실험의 두 번째 단계에서 연구진은 비편재화(delocalization)를 도입했습니다. 레이저는 원자의 파동 묶음을 분리하여 서로 다른 운동량 상태가 중첩되도록 합니다. 파동 패킷의 두 부분이 서로 떨어져 이동함에 따라 각 원자는 본질적으로 동시에 두 위치에 있습니다. 다른 레이저로 이러한 중첩을 취소함으로써 원자의 파동 패킷이 서로 간섭하고, 예를 들어 중력에 의한 낙하로 인해 위치에 미치는 영향을 초고감도로 감지할 수 있습니다. 이 간섭 실험과 얽힘 접근법을 결합하면 연구원들은 개별 원자의 양자 잡음에 의해 설정된 표준 양자 한계보다 작은 가속도를 감지할 수 있게 되었습니다.

제임스 K 톰슨PhD 학생 Chengyi Luo 및 Graham Greve와 함께 팀의 연구를 주도한 는 양자 감지를 위해 압착 상태를 사용하는 것을 종종 단일 입자 물리학을 뛰어넘는 양자 감지 버전인 "양자 2.0"이라고 말합니다. 그는 양자 감지와 양자 시뮬레이션의 발전 사이에 "놀라운 시너지 효과"가 나타나고 있다고 언급하며 이를 두 가지 방법으로 활용하는 데 관심이 있습니다. 양자 상태의 운동량 상태 인코딩을 사용하여 양자 시뮬레이션을 수행하고 도구를 적용하는 것입니다. 양자 다체 시스템의 진화를 측정하기 위한 양자 감지 기술. “우리가 배운 내용은 양자 센서를 더욱 향상시키는 데 사용될 수 있습니다.”라고 그는 말합니다.

이온 트랩 결정으로 초정밀 양자 센서 구현

티모시 코바치이번 연구에 참여하지 않은 미국 노스웨스턴대 물리학자 박 교수는 표준 양자 한계가 양자 센서의 정밀도에 큰 제약이 될 수 있다고 말했다. 따라서 그는 이 결과를 양자 감지의 주요 진전이라고 설명합니다. 그는 표준 양자 한계를 초과하기 위한 스핀 압착의 통합은 이러한 간섭계가 최대 잠재력에 도달하는 데 필수적이며 공동 내 원자 간섭계와 함께 공동 기반 압착을 실현하는 것이 중요한 성과라고 말합니다. 그는 공동이 향상된 공간 모드 품질 및 전력 축적과 같은 원자 간섭계에 유용한 기능을 제공할 수도 있다고 덧붙였습니다.

연구 결과는 자연.

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• 출처: https://physicsworld.com/a/double-dose-of-quantum-weirdness-pushes-sensors-past-the-limit/