|
Повышение точности хронометража
|
|
|
|
Исторически сложилось так, что JILA (совместный институт, созданный Национальным институтом стандартов и технологий [NIST] и Университетом Колорадо в Боулдере) был мировым лидером в области точного измерения времени с использованием оптических атомных часов. Эти часы используют внутренние свойства атомов для измерения времени с беспрецедентной точностью и аккуратностью, что представляет собой значительный скачок в наших поисках количественной оценки самого неуловимого измерения: времени. Однако точность этих часов имеет фундаментальные ограничения, в том числе «минимальный уровень шума», на который влияет «квантовый проекционный шум» (QPN). «Это происходит из спиновой статистики отдельных кубитов, истинно квантовой природы исследуемых атомов», — пояснила аспирантка JILA Майя Миклос. Современные сравнения часов, подобные тем, которые проводятся JILA и научным сотрудником NIST Джун Е, приближаются к этому фундаментальному пределу минимального уровня шума. Однако это ограничение можно обойти, создав квантовую запутанность в атомных образцах, повысив их стабильность.
|
|
|
|
Теперь команда Йе в сотрудничестве с научным сотрудником JILA Джеймсом К. Томпсоном использовала особый процесс, известный как сжатие спина, для создания квантовой запутанности, что привело к улучшению тактовой производительности, работающей на уровне стабильности 10-17. Их новая экспериментальная установка, опубликованная в журнале Nature Physics, также позволила исследователям напрямую сравнить два независимых ансамбля со сжатием спина, чтобы понять этот уровень точности измерения времени, уровень, никогда ранее не достигаемый с помощью часов на оптической решетке со сжатием спина. Разработка усовершенствованных оптических атомных часов имеет далеко идущие последствия. Помимо измерения времени, они обладают потенциальными преимуществами для использования в различных научных исследованиях, включая проверку фундаментальных принципов физики, улучшение навигационных технологий и, возможно, участие в обнаружении гравитационных волн.
|
|
|
«Повышение производительности оптических часов до и за пределами фундаментальных ограничений, налагаемых природой, уже является интересным научным занятием», — объяснил аспирант JILA Джон Робинсон, первый автор статьи. «Если задуматься о том, какую физику можно раскрыть с помощью улучшенной чувствительности, то на будущее рисуется очень интересная картина». Оптические атомные часы функционируют не через шестерни и маятники, а через оркестрованные ритмы между атомами и возбуждающим лазером. QPN представляет собой фундаментальное препятствие для точности этих часов. Это явление возникает из-за присущей квантовым системам неопределенности. В контексте оптических атомных часов QPN проявляется как едва заметное, но повсеместное нарушение, похожее на фоновый шум, который может затруднить четкость измерения времени. «Поскольку каждый раз, когда вы измеряете квантовое состояние, оно проецируется на дискретный энергетический уровень, шум, связанный с этими измерениями, выглядит как подбрасывание пачки монет и подсчет того, выпадут ли они в виде орла или решки», — сказал Миклос.
|
|
|
|
«Итак, вы получаете масштабирование по закону больших чисел, при котором точность ваших измерений увеличивается пропорционально квадратному корню из N, числа вашего атома. Чем больше атомов вы добавляете, тем лучше стабильность ваших часов. Однако есть являются ограничениями для этого, потому что после определенных плотностей у вас могут возникнуть зависящие от плотности сдвиги взаимодействия, которые ухудшают стабильность ваших часов». Существуют также практические ограничения на достижимое количество атомов в часах. Однако запутанность можно использовать как квантовый ресурс, позволяющий обойти этот проекционный шум. Миклос добавил: «Этот квадратный корень из масштабирования N справедлив, если эти частицы некоррелированы. Если вы можете создать запутанность в своем образце, вы можете достичь оптимального масштабирования, которое вместо этого увеличивается с увеличением N». Чтобы решить проблему, связанную с QPN, исследователи применили метод, известный как спиновое сжатие. В этом процессе квантовые состояния атомов деликатно корректируются. Хотя неопределенности квантовых измерений всегда подчиняются принципу неопределенности Гейзенберга, эти спины «сжимаются» посредством точных вмешательств, уменьшающих неопределенность в одном направлении и увеличивающих ее в другом.
|
|
|
|
Реализация сжатия спина в оптических часах является относительно новым достижением, но столь же запутанные ресурсы, такие как сжатый свет, использовались и в других областях. «LIGO [Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория] уже использовала сжатие вакуумных состояний для улучшения измерений длин интерферометра для обнаружения гравитационных волн», — объяснил аспирант JILA Йи Мин Цо. Чтобы добиться сжатия спина, команда создала новую лабораторную установку, состоящую из вертикальной одномерной движущейся решетки, пересекающейся с оптическим резонатором (резонатором, состоящим из двух зеркал) в горизонтальном направлении. Исследователи использовали лазерные лучи решетки, чтобы перемещать ансамбли атомов вверх и вниз по всей решетке, как в лифте, при этом некоторые группы атомов или подансамбли попадали в полость. Этот проект был вдохновлен недавним сотрудничеством между исследовательской группой Ye и научным сотрудником JILA Адамом Кауфманом, который также исследовал спин-сжатие в других лабораторных установках. «До этого момента сжатие спина в оптических часах применялось только в экспериментальных экспериментах, где шум часового лазера заслонял сигнал», — сказал Робинсон.
|
|
|
|
«Мы хотели напрямую наблюдать положительное влияние спин-сжатия, и поэтому превратили оптическую решетку в этот лифт, чтобы мы могли независимо выполнять спин-сжатие и сравнивать несколько подансамблей и, таким образом, устранять негативное влияние спин-сжатия. лазерные часы». Эта установка также позволила исследователям показать, что квантовая запутанность сохранилась во время транспортировки этих атомных субансамблей. Используя оптический резонатор, исследователи манипулировали атомами, формируя сжатые по спину запутанные состояния. Это было достигнуто путем измерения коллективных свойств атомов так называемым методом «квантового неразрушения» (QND). QND измеряет свойство квантовой системы так, чтобы измерение не нарушало это свойство. Два повторных измерения QND демонстрируют один и тот же квантовый шум, и, приняв разницу, можно насладиться подавлением квантового шума. В системе, связанной атом-полость, взаимодействие между светом, зондирующим оптический резонатор, и атомами, расположенными в полости, позволило исследователям спроецировать атомы в сжатое по спину состояние с уменьшенным влиянием неопределенности QPN. Затем исследователи использовали решетку, похожую на лифт, чтобы переместить независимую группу атомов в полость, сформировав второй спин-сжатый ансамбль в том же экспериментальном аппарате.
|
|
|
|
Ключевым нововведением в этом исследовании было прямое сравнение двух атомных подансамблей. Благодаря вертикальной решетке исследователи могли переключать атомные субансамбли, находящиеся в полости, напрямую сравнивая их характеристики, поочередно измеряя время, указанное каждым спин-сжатым субансамблом. «Сначала мы выполнили классическое сравнение часов двух атомных подансамблей без сжатия спина», — объяснил Цо. «Затем мы провели спин-сжатие обоих подансамблов и сравнили производительность двух спин-сжатых часов. В конце концов, мы пришли к выводу, что пара спин-сжатых часов работала лучше, чем пара классических часов с точки зрения стабильности по улучшение примерно на 1,9 дБ [улучшение ~25 %]. Это довольно приличный результат для первого результата нашей экспериментальной установки». Это повышение стабильности сохранялось даже тогда, когда производительность тактовых импульсов в среднем снизилась до уровня стабильности частоты 10-17 дробных, нового эталона для производительности тактовых импульсов на оптической решетке со сжатием спина. «За одно поколение этого эксперимента мы примерно наполовину сократили разрыв между стабильностью лучших часов со спин-сжатием и лучших классических часов для точных измерений», — пояснил Миклос, который вместе с остальной командой надеется еще больше улучшите это значение.
|
|
|
|
Благодаря сравнению двойного ансамбля эта экспериментальная установка знаменует собой значительный шаг на пути к использованию квантовой механики для практических и теоретических достижений, в том числе в таких разнообразных областях, как переход к фундаментальной физике, обеспечение возможности проверки гравитационных теорий и содействие поиску новой физики. Миклош, Цо и остальные члены команды надеются, что их новая установка позволит им глубже погрузиться в основы гравитации. «Точные измерения гравитационного красного смещения, которые недавно были выполнены в нашей лаборатории, — это то, чем мы хотели бы заняться в дальнейшем, используя эту экспериментальную схему», — добавил Миклош. «Надеюсь, это сможет рассказать нам больше о Вселенной, в которой мы живем».
|
|
|
|
Источник
|
