Istorijski gledano, JILA (zajednički institut osnovan od strane Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju [NIST] i Univerziteta Kolorado Boulder) je bio svetski lider u preciznom merenju vremena pomoću optičkih atomskih satova. Ovi satovi koriste intrinzična svojstva atoma za merenje vremena sa neuporedivom preciznošću i tačnošću, što predstavlja značajan skok u našoj potrazi za kvantifikacijom najneuhvatljivije dimenzije: vremena.
Međutim, preciznost ovih satova ima fundamentalna ograničenja, uključujući „podni nivo buke“, na koji utiče „šum kvantne projekcije“ (KPN). „Ovo dolazi iz spin-statistike pojedinačnih kubita, istinski kvantne prirode atoma koji se ispituju“, razradila je diplomirana studentkinja JILA-e Maja Mikloš.
Najsavremenija poređenja časovnika, poput onih koje su režirali JILA i NIST saradnik Jun Ie, guraju se sve bliže ovoj osnovnoj granici nivoa buke. Međutim, ova granica se može zaobići stvaranjem kvantnog zapleta u atomskim uzorcima, povećavajući njihovu stabilnost.
Sada, Ie-ov tim, u saradnji sa JILA saradnikom Džejmsom K. Tompsonom, koristio je specifičan proces poznat kao spin stiskanje da generiše kvantno preplitanje, što je rezultiralo poboljšanjem performansi sata koji radi na nivou stabilnosti 10-17. Njihova nova eksperimentalna postavka, objavljena u časopisu Prirodna fizika, takođe je omogućila istraživačima da direktno uporede dva nezavisna ansambla sa spin-stiskanjem kako bi razumeli ovaj nivo preciznosti u merenju vremena, nivo koji nikada ranije nije dostignut sa satom sa optičkom rešetkom.
Razvoj ovih poboljšanih optičkih atomskih satova ima dalekosežne implikacije. Izvan sfere merenja vremena, oni imaju potencijalne prednosti za upotrebu u različitim naučnim istraživanjima, uključujući testiranje osnovnih principa fizike, poboljšanje navigacionih tehnologija i moguće doprinos otkrivanju gravitacionih talasa.
„Unapređenje performansi optičkog sata do i dalje od fundamentalnih granica koje nameće priroda je već zanimljiva naučna potraga“, objasnio je diplomirani student JILA Džon Robinson, prvi autor rada. „Kada se uzme u obzir koju fiziku možete otkriti sa poboljšanom osetljivošću, to daje veoma uzbudljivu sliku za budućnost.“
Optički atomski satovi ne funkcionišu preko zupčanika i klatna, već kroz orkestrirane ritmove između atoma i ekscitacionog lasera.
KPN predstavlja osnovnu prepreku preciznosti ovih satova. Ovaj fenomen proizilazi iz inherentne nesigurnosti prisutne u kvantnim sistemima. U kontekstu optičkih atomskih satova, KPN se manifestuje kao suptilan, ali prodoran poremećaj sličan pozadinskom šumu koji može zamagliti jasnoću merenja vremena.
„Zato što svaki put kada merite kvantno stanje, ono se projektuje u diskretni energetski nivo, buka povezana sa ovim merenjima izgleda kao bacanje gomile novčića i brojanje ako se pokažu kao glava ili rep“, rekao je Mikloš.
„Dakle, dobijate skaliranje po zakonu velikog broja gde se preciznost vašeg merenja povećava sa kvadratnim korenom od N, vašeg broja atoma. Što više atoma dodate, to je bolja stabilnost vašeg sata. Međutim, postoji su ograničenja za to jer, nakon određenih gustina, možete imati promene interakcije zavisne od gustine, koje degradiraju stabilnost vašeg sata.“
Postoje i praktična ograničenja dostižnog broja atoma u satu. Međutim, zapletanje se može iskoristiti kao kvantni resurs da se zaobiđe ovaj projekcijski šum. Miklos je dodao: „Taj kvadratni koren od N skaliranja važi ako te čestice nisu u korelaciji. Ako možete da generišete zaplitanje u svom uzorku, možete postići optimalno skaliranje koje se povećava sa N umesto toga.“
Da bi odgovorili na izazov koji predstavlja KPN, istraživači su koristili tehniku poznatu kao spin stiskanje. U ovom procesu, kvantna stanja atoma se delikatno prilagođavaju. Dok se nesigurnosti kvantnog merenja uvek pridržavaju Hajzenbergovog principa nesigurnosti, ovi spinovi se „stisnu“ kroz precizne intervencije, smanjujući nesigurnost u jednom pravcu dok je povećavaju u drugom.
Ostvarivanje spin stiskanja u optičkim satovima je relativno novo dostignuće, ali slično zapleteni resursi kao što je stisnuto svetlo su korišćeni u drugim oblastima. „LIGO [Gravitaciono-talasna opservatorija laserskog interferometra] je već koristio stiskanje vakuumskih stanja da bi poboljšao svoja merenja dužina interferometara za detekciju gravitacionih talasa“, objasnio je diplomirani student JILA Iee Ming Tso.
Da bi postigao spin-stiskanje, tim je kreirao novu laboratorijsku postavku koja se sastoji od vertikalne, 1D pokretne rešetke koja se ukršta sa optičkom šupljinom (rezonatorom sastavljenom od dva ogledala) duž horizontalnog pravca. Istraživači su koristili laserske zrake rešetke da pomeraju atomske ansamble gore-dole po celoj rešetki poput lifta, sa nekim grupama atoma, ili podansamblima, koji ulaze u šupljinu.
Ovaj projekat je inspirisan nedavnom saradnjom između istraživačke grupe Ie i saradnika JILA Adama Kaufmana, koji je takođe istraživao spin-stiskanje u drugim laboratorijskim postavkama.
„Do ove tačke, spin-stiskanje u optičkim satovima bilo je primenjeno samo u eksperimentima sa dokazom principa, gde je šum iz sat lasera zaklanjao signal“, rekao je Robinson.
„Želeli smo da posmatramo pozitivan uticaj spin-stiskanja direktno, i tako smo pretvorili optičku rešetku u ovaj lift tako da možemo nezavisno da centrifugiramo i uporedimo više pod-skupova i na taj način uklonimo negativan uticaj sat lasera.“
Ova postavka je takođe omogućila istraživačima da pokažu da je kvantna zapetljanost preživela tokom transporta ovih atomskih pod-ansambala.
Koristeći optičku šupljinu, istraživači su manipulisali atomima da bi formirali spin-stisnuta, zapletena stanja. Ovo je postignuto merenjem kolektivnih svojstava atoma na takozvani način „kvantnog ne-rušenja“ (KND).
KND meri svojstvo kvantnog sistema tako da merenje ne poremeti tu osobinu. Dva ponovljena KND merenja pokazuju isti kvantni šum, a uzimajući razliku, može se uživati u poništavanju kvantne buke.
U sistemu spojenog atom-šupljina, interakcija između svetlosti koja ispituje optičku šupljinu i atoma koji se nalaze u šupljini omogućila je istraživačima da projektuju atome u spin-stisnuto stanje sa smanjenim uticajem KPN nesigurnosti. Istraživači su zatim koristili rešetku nalik liftu da promešaju nezavisnu grupu atoma u šupljinu, formirajući drugi ansambl koji se stisne spinom unutar istog eksperimentalnog aparata.
Ključna inovacija u ovoj studiji bila je direktno poređenje dva atomska podansambla. Zahvaljujući vertikalnoj rešetki, istraživači su mogli da menjaju koji atomski pod-ansambli se nalaze u šupljini, direktno upoređujući njihove performanse naizmenično merenjem vremena kao što je naznačeno svakim pod-ansamblom stisnutim spinom.
„Prvo smo izveli klasično poređenje sata dva atomska podskupina bez spin stiskanja“, objasnio je Tso. „Onda smo izvršili centrifugiranje oba pod-ansambla i uporedili performanse dva spin-stisnuta sata. Na kraju smo zaključili da je par satova sa centrifugiranjem hlađenja imao bolji učinak od para klasičnih satova u smislu stabilnosti za poboljšanje od oko 1,9 dB [~25% poboljšanja]. Ovo je prilično pristojno kao prvi rezultat našeg eksperimentalnog podešavanja.“
Ovo poboljšanje stabilnosti je opstalo čak i kada su performanse taktova u proseku pale na nivo stabilnosti frakcionih frekvencija od 10 -17, što je novo merilo za performanse takta sa optičkim rešetkama. „U jednoj generaciji ovog eksperimenta, otprilike smo na pola puta zatvorili jaz između stabilnosti najboljih satova sa rotirajućim pritiskom i najboljih klasičnih satova za precizno merenje“, elaborirao je Mikloš, koji se, sa ostatkom tima, nada da će još više poboljšati ovu vrednost.
Sa poređenjem sa dvostrukim ansamblom, ova eksperimentalna postavka označava značajan korak ka korišćenju kvantne mehanike za praktična i teorijska unapređenja, uključujući u različitim poljima kao što je navigacija do fundamentalne fizike, omogućavajući testove teorija gravitacije i doprinoseći potrazi za novom fizikom.
Mikloš, Tso i ostatak tima se nadaju da će im njihova nova postavka omogućiti da dublje zarone u osnove gravitacije.
„Precizna merenja gravitacionog crvenog pomaka, koja su nedavno urađena u našoj laboratoriji, su nešto što bismo želeli da dalje istražimo koristeći ovaj eksperimentalni dizajn“, dodao je Miklos. „Nadajmo se da nam to može reći više o univerzumu u kojem živimo.“
