Текст: Кенна Хьюз-Каслберри, SciTechDaily

Перевод: Ирина Шитикова

Фото: JILA/Ye Group

JILA — совместный институт, созданный Национальным институтом стандартов и технологий (NIST) и Университетом Колорадо в Боулдере (США) — совершил прорыв, создав часы, используя квантовую запутанность. Помимо измерения времени, они обладают потенциальными преимуществами для использования в различных научных исследованиях, включая проверку фундаментальных принципов физики и, возможно, участие в обнаружении гравитационных волн.

Институт JILA является одной из ключевых научных организаций в области точного измерения времени посредством оптических атомных часов, которые используют внутренние свойства частиц для измерения времени с высокой точностью. Однако работоспособность этих устройств имеет фундаментальные ограничения, в том числе «минимальный уровень звуковых волн», на который влияет квантовый проекционный шум (QPN).

Современные сравнения часов, которые проводятся научными сотрудниками JILA, NIST и профессором физики Джун Йе, приближаются к фундаментальному пределу минимального уровня шума. Это ограничение можно обойти, создавая квантовую запутанность в атомных образцах, повысив их стабильность.

Орел или решка

Команда Йе в сотрудничестве с JILA и научным сотрудником NIST Джеймсом К. Томпсоном использовала особый процесс для создания квантовой запутанности, известный как спиновое сжатие, что привело к улучшению тактовой производительности, работающей на уровне стабильности 10–17. Проект их новой экспериментальной установки, опубликованной в журнале Nature Physics, также позволил исследователям напрямую сравнить два независимых ансамбля со сжатием спина, чтобы понять уровень точности измерения времени, который никогда ранее не достигался с помощью часов на оптической решетке в ходе этого процесса.

«Повышение производительности оптических часов до фундаментальных пределов, налагаемых природой, и за их пределами уже представляет собой интересную научную задачу, — пояснил аспирант JILA Джон Робинсон. — Если подумать о том, какую физику можно раскрыть с помощью улучшенной чувствительности, это рисует очень захватывающую картину будущего».

«Каждый раз, когда мы измеряем квантовое состояние, оно проецируется на прерывистый энергетический уровень. А шум, связанный с этими процессами, похож на подбрасывание монет и подсчет того, выпадут ли они орлом или решкой, — пояснила аспирантка JILA Майя Миклош. — Так мы получаем масштабирование по закону больших чисел, согласно которому точность измерений увеличивается пропорционально квадратному корню из N — номера атома».

Существуют практические ограничения на достижимое количество атомов в часах, однако запутанность может быть использована как квантовый ресурс для обхода этого проекционного шума. «Масштабирование квадратного корня из N работает, если эти частицы некоррелированы. Если вы сможете создать запутанность в образце, вы сможете достичь оптимального масштабирования, которое увеличивается с ростом N», — рассказывает Миклош.

Новое достижение

Чтобы решить проблему, связанную с проекционным шумом, исследователи применили метод спинового сжатия — в этом процессе квантовые состояния атомов 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. — Прим. ред.) уже использовала сжатие состояний вакуума для улучшения измерений длины интерферометра в целях обнаружения гравитационных волн», — объяснил аспирант JILA Йи Мин Цо.

Этот проект был вдохновлен недавним сотрудничеством между исследовательской группой профессора физики Джуна Йе 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 экспериментах, где шум часового лазера заглушал сигнал», — сказал Джон Робинсон из JILA.

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), который измеряет свойство квантовой системы таким образом, что измерение не нарушает это свойство. Два повторных QND-измерения демонстрируют одинаковый квантовый шум, и, взяв разницу, можно наблюдать отсутствие квантового шума.

Исследователям удалось 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.

Эталон производительности

Ключевым нововведением исследований команды было прямое сравнение двух атомных подансамблей. Благодаря вертикальной решетке исследователи могли переключать частицы, находящиеся в полости, напрямую сравнивая их характеристики, поочередно измеряя время, указанное каждой спин-сжатой подгруппой.

«Сначала мы выполнили классическое сравнение часов двух атомных подгрупп без сжатия спина, — пояснил Цо. — Затем мы сжали оба подансамбля и сравнили производительность двух часов со спиновым сжатием. В конце концов мы пришли к выводу, что пара часов со сжатием спина работает лучше, чем классические устройства, с точки зрения стабильности — улучшение зафиксировано примерно на 1,9 дБ (25%). Это вполне приличный первый результат для нашей экспериментальной установки».