Met behulp van een Bose-Einstein-condensaat bestaande uit miljoenen natriumatomen, onderzoekers van het Georgia Institute of Technology hebben een scherpe magnetisch geïnduceerde kwantumfase-overgang waargenomen waarbij ze verstrengelde atomaire paren verwachten te vinden. Het werk brengt wetenschappers dichter bij een ongrijpbare verstrengelde staat die potentiële detectie- en computertoepassingen zou hebben die verder gaan dan de fundamentele wetenschappelijke interesses.

Het gebruik van verstrengelde atomen uit een condensaat zou de gevoeligheid kunnen verbeteren en de ruis kunnen verminderen bij het waarnemen van zeer kleine veranderingen in fysieke eigenschappen zoals magnetische velden of rotatie. En het zou ook een basis kunnen vormen voor kwantumcomputers die bepaalde berekeningen veel sneller kunnen uitvoeren dan conventionele digitale computers.

Gesponsord door de National Science Foundation, het onderzoek werd op 23 januari gerapporteerd als een snelle mededeling in het tijdschrift Fysieke beoordeling A .

"We hebben een venster gedefinieerd waar we verstrengeling verwachten, " zei Chandra Raman, een universitair hoofddocent aan de Georgia Tech School of Physics. "We weten nu waar we het moeten zoeken, en we weten hoe we het moeten zoeken."

Raman en voormalig afgestudeerde student Anshuman Vinit hebben Bose-Einstein-condensaten (BEC's) bestudeerd als een bron van verstrengeling, proberen te profiteren van de kwantumzuiverheid van het systeem om omstandigheden te creëren waarin correlatie tussen atomen kan optreden. BEC's bevatten normaal gesproken geen verstrengelde atomen.

"We hebben manieren gevonden om het systeem te engineeren om verstrengeling te creëren, " legde Raman uit. "We keken naar het gedrag van het systeem toen we het magnetische veld heel dicht bij de fasegrens afstemden en toonden aan dat de grens een zeer scherp gedefinieerd punt had. We waren in staat om die grens op te lossen met een mate van onzekerheid waarvan we dachten dat we die niet zouden kunnen krijgen totdat we het experiment deden."

Theoretische voorspellingen hebben gesuggereerd dat op de grens tussen verschillende magnetische fasen van een spinor Bose-Einstein-condensaat, wetenschappers zouden een verstrengelde kwantumtoestand van alle atomen vinden. In spinor Bose-Einstein condensaten, de individuele magnetische momenten hoeven geen goed gedefinieerde oriëntatie in de ruimte te hebben, maar liever, kan bestaan ​​in een superpositie van verschillende oriëntaties.

In hun experiment hebben de onderzoekers identificeerden twee fasen:antiferromagnetisch en polair. In de polaire fase, de atomen stemmen hun momenten allemaal verticaal uit, terwijl in de antiferromagnetische fase, ze zijn horizontaal uitgelijnd. In een BEC precies op de grens tussen deze fasen, theoretici hadden het bestaan ​​voorspeld van een kwantummechanische superpositie van alle mogelijke uitlijningen, een verstrikte staat.

De onderzoekers hebben die verstrengelde toestand nog niet waargenomen, maar hun werk heeft tot nu toe een experimenteel venster gedefinieerd waarbinnen we kunnen zoeken naar nieuwe fysieke effecten die verschillende magnetische fasen beheersen, of om verstrengelde toestanden te genereren die relevant zijn voor op kwantum gebaseerde systemen.

Eerder onderzoek in het laboratorium van Raman had de twee fasen opgeleverd, maar de grens tussen hen werd "uitgeveegd" door inhomogeniteiten van het magnetische veld. Door het magnetische veld af te vlakken zodat het meer uniform was, de onderzoekers konden de variaties elimineren om een ​​scherpe grens tussen de fasen te produceren.

In het eng gedefinieerde overgangsgebied dat in het onderzoek is geïdentificeerd, atomen worden verscheurd tussen de twee fasen, waardoor verstrengelde paren ontstaan, zei Raman. De staat kan stabiel genoeg zijn om praktische toepassingen te vinden, hoewel wetenschappers het pas zeker weten als ze de eigenschappen daadwerkelijk kunnen observeren en meten.

De onderzoekers maten de grens in hun systeem door het magnetische veld van het ene deel van het BEC naar het andere te "springen". De verhuizing creëerde een dynamische instabiliteit in het atomaire systeem; hoe groter de instabiliteit, hoe minder tijd het systeem nodig heeft om weer in evenwicht te komen, zoals voorspeld door de kwantumtheorie.

De onderzoekers denken nu dat ze de weg hebben gebaand voor het observeren van verstrengeling in kleinere groepen atomen, misschien niet meer dan duizend.

"Bij onze huidige gevoeligheid, we denken dat we deze spin-gecorreleerde toestanden kunnen waarnemen met een redelijk aantal deeltjes, " zei Raman. "We denken dat dit experimenteel mogelijk is, en aangezien we de grens nauwkeurig kunnen meten, we kunnen beginnen met het testen van de theorieën die het gedrag in dit regime beheersen."

Zodra dat wordt getoond, het grote geheel van atomen kan worden opgesplitst in veel kleinere groepen die onafhankelijk van elkaar opereren, elk met fasegrenzen die verstrengelde atomen bevatten.

Hoewel Raman de basiswetenschap en kwantumcomputers interessant vindt, hij is even enthousiast over mogelijke detectietoepassingen.

"Als je het geluidsniveau zou kunnen verminderen door slim gebruik te maken van kwantummechanische superposities, je zou sensoren kunnen realiseren die nauwkeuriger zijn en kleinere effecten kunnen detecteren, " zei hij. "Bij kwantumdetectie zou je verstrengeling kunnen gebruiken om de precisie van metingen te verhogen tot niveaus die, in klassieke sensorsystemen, zou een hoger geluidsniveau hebben."

In klassieke oscillerende systemen zoals het opgooien van munten, elke flip is een onafhankelijk systeem en heeft een bepaald geluidsniveau. Maar vanwege de correlatie, de atomaire paren zouden niet langer onafhankelijke systemen zijn.

"In een gewoon klassiek systeem, er is een bepaalde hoeveelheid ruis die te maken heeft met het feit dat je metingen doet op onafhankelijke systemen, " zei hij. "In kwantumsystemen, het is mogelijk om die ruis te onderdrukken als de atomen gecorreleerd zijn. Het is alsof de munten met elkaar praten."

Kwantumsensoren zouden daarom veranderingen in rotatie of magnetische variatie kunnen detecteren die te klein zijn voor de huidige sensoren. Andere toepassingen zijn te vinden in spectroscopische metingen, zei Raman.