Ученые из Базельского университета и Лаборатории Кастлера Бросселя доказали, что квантовую запутанность можно использовать для одновременного измерения нескольких физических величин с точностью, недостижимой для классических методов. Это открытие расширяет границы квантовой метрологии — области, изучающей применение квантовых эффектов для сверхточных измерений.
Запутанность — одно из самых загадочных явлений квантовой физики. Когда два объекта оказываются запутанными, измерения одного из них мгновенно влияют на состояние другого, даже если они разделены большим расстоянием. Этот парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена (ЭПР), необъяснимый с точки зрения классической физики, был экспериментально подтвержден и отмечен Нобелевской премией по физике в 2022 году. Теперь ученые нашли практическое применение этому эффекту.
Команда под руководством профессора Филиппа Тройтлайна и профессора Алисы Синатры впервые продемонстрировала, что пространственно разделенные, но запутанные квантовые системы могут работать как единый сверхточный датчик. Результаты, опубликованные в журнале Science, показывают, что такой подход позволяет измерять несколько параметров одновременно с беспрецедентной точностью.
Для создания и поддержания запутанности между тремя облаками атомов иттербия исследователи использовали оптическую решетку — стоячую световую волну, удерживающую облака на расстоянии примерно 150 микрометров друг от друга. Запутанность создается через коллективные взаимодействия: лазерный импульс «спутывает» спиновые состояния атомов в каждом облаке, а затем через общую электромагнитную моду (резонатор) эти состояния синхронизируются между облаками. Поддержание запутанности требует изоляции от внешних возмущений, таких как магнитные поля и вибрации, и применения техники «спинового сжатия», при которой неопределенность одного компонента спина уменьшается за счет увеличения другого.
Ранее ученые могли запутывать спины атомов (своеобразные «компасные стрелки») только в одном месте, что повышало точность измерений локально. Новая работа пошла дальше: исследователи распределили запутанные атомы по трем пространственно разделенным облакам. Эффект запутанности теперь действует на расстоянии, в точности как в парадоксе ЭПР.
Этот метод особенно ценен для изучения величин, меняющихся в пространстве — например, электромагнитных полей. Используя три запутанных облака, ученые смогли с малым числом измерений определить структуру поля с гораздо большей точностью, чем без пространственной запутанности. Запутанность не только уменьшает квантовые флуктуации, но и компенсирует помехи, одинаково влияющие на все атомы.
Разработка уже готова к применению в существующих приборах. Например, в оптических решетчатых часах новый метод уменьшит ошибки, вызванные распределением атомов, и повысит точность хода. Оптические решетчатые часы отличаются от обычных атомных часов тем, что используют видимый свет с частотой около 1014 Гц вместо микроволновых переходов в атомах цезия (с частотой около 9 ГГц), что позволяет делить время на гораздо более мелкие интервалы и повышать потенциальную точность в сотни раз. Запутанность улучшает точность еще сильнее: вместо индивидуального измерения каждого атома, подверженного квантовым флуктуациям, запутанные атомы ведут себя как один «суператом» с усиленным сигналом, что снижает статистический шум (стандартный квантовый предел) и приближает к фундаментальному пределу Гейзенберга.
В атомных интерферометрах и гравиметрах, измеряющих вариации гравитации Земли, запутанные атомы позволят фиксировать изменения силы тяжести с недостижимой ранее точностью. Атомный интерферометр разделяет волновую функцию атома на две пространственные траектории с помощью лазерных импульсов, после чего траектории сводятся, создавая интерференционную картину, чувствительную к разности фаз. Для измерения гравитации атомы находятся в свободном падении, а гравитационное поле создает разность потенциалов между траекториями, смещая интерференционные полосы. Точность таких гравиметров настолько высока, что они способны обнаружить изменение высоты всего на один сантиметр или движение грунтовых вод под землей.
Источник: Distant entangled atoms acting as one sensor deliver stunning precision