Spin-squeezing: gli atomi lavorano insieme per misurazioni quantistiche migliori

Apertura di nuove possibilità per sensori quantistici, orologi atomici e test di fisica fondamentale, i ricercatori del JILA hanno sviluppato nuovi modi per “intrecciare” o interconnettere le proprietà di un gran numero di particelle. Nel processo, hanno ideato modi per misurare grandi gruppi di atomi in modo più accurato anche in ambienti rumorosi e dirompenti.

Le nuove tecniche sono descritte in un paio di articoli pubblicati in Natura. JILA è un istituto congiunto del National Institute of Standards and Technology (NIST) e dell’Università del Colorado Boulder.

“L’entanglement è il Santo Graal della scienza della misurazione”, ha affermato Ana Maria Rey, fisica teorica e membro del JILA e del NIST.

“Gli atomi sono i migliori sensori di sempre. Sono universali. Il problema è che sono oggetti quantistici, quindi sono intrinsecamente rumorosi. Quando li misuri, a volte si trovano in uno stato energetico, a volte in un altro stato. Quando li aggrovigli, puoi riuscire a cancellare il rumore.

Quando gli atomi sono legati, ciò che accade a un atomo influenza tutti gli atomi ad esso legati. Avere dozzine – meglio ancora, centinaia – di atomi intrecciati che lavorano insieme riduce il rumore e il segnale della misurazione diventa più chiaro, più certo. Gli atomi entangled riducono anche il numero di volte in cui gli scienziati devono eseguire le loro misurazioni, ottenendo risultati in meno tempo.

Spintronica – concetto artistico. Credito immagine: Creativity103 via FlickrCC BY 2.0

Un mezzo di impigliamento è con un processo chiamato spin squeezing. Come tutti gli oggetti che obbediscono alle regole della fisica quantistica, gli atomi possono esistere in più stati energetici contemporaneamente, una capacità nota come sovrapposizione. La compressione degli spin riduce tutti i possibili stati di sovrapposizione in un atomo a poche possibilità. È come spremere un palloncino.

Quando schiacci il palloncino, la parte centrale si restringe e le estremità opposte diventano più grandi. Quando gli atomi vengono compressi dallo spin, la gamma dei possibili stati in cui possono trovarsi si restringe in alcune direzioni e si espande in altre.

Ma è più difficile intrappolare gli atomi più distanti tra loro. Gli atomi hanno interazioni più forti con gli atomi a loro più vicini; più gli atomi sono lontani, più deboli sono le loro interazioni.

Fisica quantistica, mare di eccitoni – interpretazione artistica. Credito immagine: Sigmund tramite Unsplash, licenza gratuita

Pensalo come se le persone parlassero a una festa affollata. Le persone più vicine tra loro possono conversare, ma quelli dall’altra parte della stanza riescono a malapena a sentirle e le informazioni si perdono lungo la linea. Gli scienziati vogliono che l’intero gruppo di atomi comunichi tra loro allo stesso tempo. I fisici di tutto il mondo stanno cercando modi diversi per ottenere questo entanglement.

“Uno degli obiettivi principali della comunità è quello di produrre stati entangled per ottenere misurazioni di maggiore precisione in un periodo di tempo più breve”, ha affermato Adam Kaufman, fisico e JILA Fellow.

Kaufman e Rey hanno lavorato insieme su proposte per raggiungere quell’intreccio, uno dei quali Rey e i suoi collaboratori dell’Università di Innsbruck in Austria hanno dimostrato.

In questo esperimento, il team ha allineato 51 ioni di calcio in una trappola e ha utilizzato i laser per indurre interazioni tra loro. Questo perché il laser eccita i fononi, vibrazioni simili a onde sonore tra gli atomi.

Quei fononi si diffondono lungo la linea degli atomi, collegandoli insieme. Negli esperimenti precedenti, questi collegamenti erano stati progettati per essere statici, quindi uno ione poteva comunicare con un insieme specifico di ioni solo quando illuminato dai laser.

Stati quantistici, fisica quantistica – interpretazione artistica. Credito immagine: Ben Wicks tramite Unsplash, licenza gratuita

Aggiungendo campi magnetici esterni, è stato possibile rendere i collegamenti dinamici, crescenti e modificati nel tempo. Ciò significava che uno ione che poteva parlare solo con un gruppo di ioni all’inizio poteva parlare con un gruppo diverso e, alla fine, era in grado di parlare con tutti gli altri ioni nella matrice.

Ciò supera il problema della distanza, dice Rey, e le interazioni erano forti lungo tutta la linea degli atomi. Adesso tutti gli atomi lavoravano insieme e potevano parlare tra loro senza perdere il messaggio lungo il percorso.

In un breve lasso di tempo, gli ioni si sono impigliati, formando uno stato compresso, ma con un po’ più di tempo si sono trasformati in quello che viene chiamato stato gatto. Questo stato prende il nome dal famoso esperimento mentale di Erwin Schrodinger sulla sovrapposizione, in cui propose che a il gatto intrappolato in una scatola è sia vivo che morto finché la scatola non viene aperta e se ne può osservare lo stato.

Per gli atomi, uno stato gatto è un tipo speciale di sovrapposizione in cui gli atomi si trovano contemporaneamente in due stati diametralmente opposti, come su e giù. Gli stati del gatto sono altamente intrecciati, sottolinea Rey, il che li rende particolarmente utili per la scienza della misurazione.

Il prossimo passo sarà provare questa tecnica con una serie bidimensionale di atomi, aumentando il numero di atomi per migliorare il tempo in cui possono rimanere in questi stati entangled. Inoltre, potrebbe potenzialmente consentire agli scienziati di effettuare misurazioni in modo più preciso e molto più rapido.

L’entanglement con spin-squeencing potrebbe anche avvantaggiare gli orologi atomici ottici, che sono un importante strumento scientifico di misurazione. Kaufman e il suo gruppo alla JILA, insieme ai collaboratori del gruppo del collega Jun Ye del NIST/JILA, hanno testato un metodo diverso in un altro studio in questo numero di Natura.

I ricercatori hanno caricato 140 atomi di stronzio in un reticolo ottico, un unico piano di luce per trattenere gli atomi. Hanno usato fasci di luce finemente controllati, chiamati pinzette ottiche, per posizionare gli atomi in piccoli sottogruppi da 16 a 70 atomi ciascuno.

Con un laser ultravioletto ad alta potenza, hanno eccitato gli atomi in una sovrapposizione del loro solito stato “orologio” e uno stato Rydberg ad alta energia. Questa tecnica è chiamata medicazione Rydberg.

Gli atomi dello stato orologio sono come le persone tranquille in una festa affollata; non interagiscono fortemente con gli altri. Ma per gli atomi nello stato di Rydberg, l’elettrone più esterno è così lontano dal centro dell’atomo che l’atomo è effettivamente di dimensioni molto grandi, il che gli consente di interagire più fortemente con gli altri atomi.

Ora parla tutto il partito. Con questa tecnica di spremitura, possono creare un entanglement attraverso l’intera schiera di 70 atomi.

I ricercatori hanno confrontato le misurazioni della frequenza tra gruppi di 70 atomi e hanno scoperto che questo entanglement migliorava la precisione al di sotto del limite per le particelle non legate, noto come limite quantistico standard.

Misurazioni più rapide e precise consentiranno a questi orologi di essere sensori migliori per la ricerca della materia oscura e produrre misurazioni migliori di tempo e frequenza.

Documenti:

Johannes Franke, Sean R. Muleady, Raphael Kaubruegger, Florian Kranzl, Rainer Blatt, Ana Maria Rey, Manoj K. Joshi e Christian F. Roos. Rilevamento quantistico su transizioni ottiche attraverso interazioni a raggio finito. Natura. 30 agosto 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06472-z

William J. Eckner, Nelson Darkwah Oppong, Alec Cao, Aaron W. Young, William R. Milner, John M. Robinson, Jun Ye e Adam M. Kaufman. Realizzazione dello spin squeezing con le interazioni di Rydberg in un orologio ottico. Natura. 30 agosto 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06360-6

Fonte: NIST