Суперпозиция, которая меняет науку: зафиксировано рекордное квантовое состояние

Исследователи из Университета науки и технологий Китая (USTC), под руководством профессора Чжэнтянь Лу и исследователя Тяня Ся, добились прорыва в области квантовой метрологии. Они смогли создать квантовое состояние с продолжительностью жизни на уровне минут, используя оптически захваченные холодные атомы.

Фото: https://commons.wikimedia.org by Геральт - geralt / 21281 images on Pixabay site, https://creativecommons.org/public-domain/pdm/

квантовое состояние

Это открытие значительно повышает точность квантовых измерений и может изменить подходы к вычислениям и фундаментальной физике. Результаты исследования были опубликованы в Nature Photonics.

Квантовая метрология и роль состояний кота Шрёдингера

В квантовой метрологии спин частиц играет ключевую роль в измерении магнитных полей, инерции и других физических явлений. Кроме того, он помогает исследовать физику, выходящую за рамки Стандартной модели.

Высокоспиновое состояние Шрёдингера — суперпозиция двух максимально противоположных спиновых состояний — открывает новые возможности для сверхточных измерений.

Преимущества такого состояния очевидны: высокий квантовый спин усиливает частоту прецессии сигнала, увеличивая разрешающую способность измерений.

Кроме того, квантовые суперпозиции обладают устойчивостью к определённым видам внешнего шума, что снижает уровень помех в экспериментах. Однако на практике основным вызовом остаётся сохранение когерентности состояний на длительное время.

Как ученые преодолели проблему когерентности

Чтобы решить эту задачу, команда исследователей использовала атомы 173Yb с квантовым числом спина 5/2, удерживаемые в оптической решётке. С помощью контролируемых лазерных импульсов они индуцировали нелинейные световые сдвиги на основных энергетических состояниях атомов. В результате удалось создать суперпозицию спиновых проекций +5/2 и -5/2, формируя состояние кота Шрёдингера.

Главное преимущество новой техники заключается в том, что такое состояние проявляет высокую чувствительность к магнитным полям, но при этом остаётся нечувствительным к шуму интенсивности и пространственным вариациям решётки. Впервые в экспериментальных условиях удалось достичь времени когерентности, превышающего 20 минут.

С помощью метода интерферометрии Рамзи учёные подтвердили, что точность фазовых измерений достигла предела Гейзенберга. Этот успех открывает путь к созданию новых методов атомной магнитометрии, развитию квантовых вычислений и изучению фундаментальных законов физики.

Уточнения

Метроло́гия (от греч. μέτρον "мера" + λόγος "мысль; причина") — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.