Запутывание помогло атомному интерферометру преодолеть стандартный квантовый предел

Американские физики использовали запутывание атомов между собой, чтобы преодолеть стандартный квантовый предел при измерении с помощью атомного интерферометра. Для этого они применяли процедуру сжатия к коллективному квантовому состоянию атомов. В результате точность интерферометра почти в полтора раза превысила ограничения, накладываемые квантовой механикой для несжатых состояний. Исследование опубликовано в Nature.

Атомные интерферометры в последние годы стали распространенным инструментом в руках физиков. По принципу работы они напоминают оптические интерферометры, однако вместо света в них используется волновая природа материи. Пучок атомов, обычно в свободном падении, подвергается короткому лазерному воздействию, расщепляющему волновые функции на две части, соответствующие различным траекториям в рабочей камере. Последующее объединение этих частей приводит к интерференции, чья картинка чувствительна к набегу фазы, происходящему в плечах интерферометра. Мы уже рассказывали, как такие интерферометры оказываются способны ощутить пустоты под землей и обнаружить гравитационный эффект Ааронова — Бома.

Атомные интерферометры, как и любые физические приборы, имеют ограничения по точности. В случае с интерференцией волн материи ключевым параметром остается фаза, извлечение которой подвержено квантовым шумам. Ограничения на точность, имеющие фундаментальный квантовый характер, называют стандартным квантовым пределом. Подробнее о них вы можете прочитать в материале «Далеко ли до предела?».

Однако еще в конце прошлого века физики поняли, что ограничения, накладываемые стандартным квантовым пределом, можно несколько ослабить, если запутать измеряемые объекты. Чтобы применить эту идею к атомной интерферометрии, группа физиков из Национального института стандартов и технологий (NIST) под руководством Джеймса Томпсон (James Thompson) использовала атомы рубидия, переведенные в сжатое состояние и свободно падающие в вертикальном резонаторе высокой добротности. Это позволило повысить чувствительность интерферометра за границей стандартного квантового предела.

Квантовая механика накладывает ограничения на точность измерения некоторых пар физических параметров (наблюдаемых) системы, выраженные в виде неопределенности Гейзенберга, а именно условия, что произведение среднеквадратичных отклонений пары наблюдаемых не может быть меньше приведенной постоянной Планка. К их числу таких пар относятся координата и импульс, разные проекции орбитального момента, а также число частиц и фаза фотонов или иных частиц в пучке. Развитие экспериментальной техники дошло до уровня, при котором это явление начинает сказываться на точности эксперимента. Чтобы обойти стандартный квантовый предел, физики используют сжатые состояния, в которых среднеквадратичное отклонение одной величины заведомо меньше за счет увеличения среднеквадратичного отклонения другой величины. Подробнее об этом методе читайте в материале «Точилка для квантового карандаша».

В случае с атомным интерферометром полезным сигналом считается фаза (точнее, разность фаз) атомов, движущихся по различным его плечам. При детектировании, однако, физики измеряют число атомов в каждом из выходных портов. Чтобы использовать технику сжатых состояний, авторы инвертировали сжатость с помощью дополнительных импульсов.

В своем эксперименте группа Томпсона формировала в вертикальном резонаторе оптическую ловушку в виде полого светового столба, работающего как волновод для атомов. В верхней его точке ученые готовили облако рубидиевых атомов, после чего отпускали их в свободное падение и отсеивали по скоростям, оставляя в среднем около 700 атомов. Интерферометрическая часть эксперимента состояла из последовательности трех импульсов, первый из которых за счет двухфотонного рамановского перехода переводил атомы в состояния суперпозиции с различными импульсами (и, следовательно, двигающихся по различным траекториям), второй — перенаправлял разлетающиеся атомы обратно, и третий — объединял разные плечи.

Чтобы реализовать сжатие, физики воздействовали на коллективное атомное состояние с помощью двух методов: неразрушающего квантового измерения (non-demolition measurement) и одноосного скручивания (one-axis twisting). Суть обоих методов сводится к измерению свойств резонатора, зависящих от того, сколько атомов в определенном состоянии находятся внутри него. При этом измерение адресуется к коллективной наблюдаемой пучка атомов (числу частиц), а не их индивидуальным квантовым числам. Таким образом, происходящая редукция сужает неопределенность по числу частиц, не разрушая когерентности. В частности, неопределенность уменьшилась в 2,19 и 1,78 раза после применения первого и второго методов, соответственно.

Для применения сжатия на практике авторы выбрали одноосное скручивание. Чтобы повысить чувствительность фазы, они настраивали расщепляющий импульс таким образом, чтобы он разворачивал сжатость на 90 градусов в пространстве «число частиц — фаза». Соединяющий импульс производил точно такой же разворот, при этом набег фазы конвертировался в смещение измеряемого числа атомов. В результате физики добились точности измерения интерференционных колебаний с неопределенностью, в 1,48 ниже, чем стандартный квантовый предел.

Ранее мы рассказывали, как запутывание двух атомных часов также позволило преодолеть стандартный квантовый предел при измерении разности их частот.