物理学家创建记录设置量子运动

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所属分类:物理学

美国国家标准与技术研究院(NIST)的物理学家展示了量子水平的精确控制,开发了一种制作离子(带电原子)精确量子量级运动的方法-任何特定量的高达100包能量或“量子”,是之前17的历史高点的五倍多。

物理学家创建记录设置量子运动

物理学家创建记录设置量子运动

量子力学是原子世界的基本理论,它指出能量被释放或吸收在称为量子的微小包裹或包裹中。原子通过辐射光子或光量子释放光能。当研究人员陷入陷阱时,原子的运动能量由声子或运动量子携带。

除了创建单个数量的量子之外,NIST团队控制其离子的钟摆运动同时展示两个不同量的运动量子:零(最小运动)加上任何数量达18个。这两个状态的“叠加”是好奇的量子世界的标志。

今天在线发表在线性质,这种新方法可以与任何量子力学振荡器一起使用,包括像单个摆锤一样摆动或像弹簧一样振动的系统。这些技术可能导致使用声子作为信息载体的新型量子模拟器和传感器。此外,定制叠加态的能力可以改善量子测量和量子信息处理。与传统的离子振动频率测量相比,使用叠加的离子作为频率测量仪器,精度提高了一倍以上。

“如果我们对一个物体进行量子控制,我们就可以'弯曲'经典规则,使其在某些期望的方向上具有较低的不确定性,代价是在其他方向上存在更大的不确定性,”第一作者KatieMcCormick说。“然后我们可以使用量子态作为标尺来测量系统的属性。我们拥有的量子控制越多,标尺上的线条就越紧密,使我们能够越来越精确地测量数量。“

用在冷却的电磁阱的金电极上方保持40微米的单个铍离子进行实验。McCormick说,新的结果是可能的,因为NIST的研究人员能够最大限度地减少不需要的因素,例如与离子交换能量和破坏离子的杂散电场。

为了给离子添加声子,NIST的研究人员在两个离子“自旋”状态或内部能量配置之间的频率差异之上和之下交替使用紫外激光脉冲。每个脉冲将离子从“旋转向上”翻转到“向下旋转”,反之亦然,每次翻转都会增加一个量子的离子摇摆运动。为了创建叠加,研究人员将这些激光脉冲仅应用于离子波函数的一半(粒子位置和自旋状态概率的波状模式)。波函数的另一半处于第三自旋状态,其不受激光脉冲的影响并且保持不动。

离子的静止(或地面)状态和更高的声子数的叠加为NIST研究人员提供了“量子增强”测量灵敏度或精度。他们使用离子作为干涉仪,这是一种分离和合并两个分波的仪器,可以创建干涉图,可以对其进行分析以表征频率。NIST的研究人员使用干涉仪测量离子的振荡频率,其不确定度小于通常可能的不确定度。

具体而言,测量精度随着运动量子的数量线性增加,直到0和12叠加状态的最佳性能,其提供的灵敏度超过经典行为量子态的两倍(技术上由一组数字组成)状态)。0和12叠加状态也比最简单的0和1干涉仪叠加精确7倍以上。

为了理解为什么叠加态有助于更精确地测量离子的振荡频率,麦考密克建议想象一个带有辐条的车轮。

“在描述离子位置和动量的某个抽象空间中,振荡由旋转表示,”McCormick说。“我们希望能够非常精确地测量这种旋转。离子的基态运动和更高数量状态的叠加是这种测量的一个很好的统治者,因为在这个抽象的表示中,它们可以被视为带有辐条的轮子。这些辐条可用于确定状态旋转的量。数字越高,辐条越多,我们就可以越准确地测量这种旋转。“

叠加状态提供的测量灵敏度应有助于表征和降低运动中的噪声,这是研究人员希望在捕获离子的量子信息处理中最小化的重要误差源。

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