Presentatie van nauwkeurige controle op kwantumniveau, natuurkundigen van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een methode ontwikkeld om een ​​ion (elektrisch geladen atoom) exacte hoeveelheden beweging op kwantumniveau te laten weergeven - elke specifieke hoeveelheid tot 100 energiepakketten of "quanta, " meer dan vijf keer het vorige record van 17.

Kwantummechanica, de fundamentele theorie van de atoomwereld, stelt dat energie wordt vrijgegeven of geabsorbeerd in kleine pakketjes, of pakjes, quanta genoemd. Atomen geven lichtenergie af door fotonen uit te stralen, of quanta van licht. Wanneer ze door onderzoekers in de val worden gelokt, bewegingsenergie van atomen wordt gedragen door fononen, of bewegingsquanta.

Naast het creëren van enkele aantallen quanta, het NIST-team controleerde de slingerbeweging van hun ion om tegelijkertijd twee verschillende hoeveelheden bewegingsquanta te vertonen:nul (minimale beweging) plus elk getal tot 18. Een dergelijke "superpositie" van twee toestanden is een kenmerk van de merkwaardige kwantumwereld.

Online gepubliceerd door Natuur op 22 juli, de nieuwe methoden kunnen worden gebruikt met elke kwantummechanische oscillator, inclusief systemen die oscilleren als een eenvoudige slinger of trillen als een veer. De technieken kunnen leiden tot nieuwe soorten kwantumsimulatoren en sensoren die fononen gebruiken als informatiedragers. In aanvulling, het vermogen om superpositietoestanden aan te passen kan kwantummetingen en kwantuminformatieverwerking verbeteren. Door het ion in superpositie te gebruiken als een instrument voor het meten van frequenties, werd de precisie meer dan verdubbeld in vergelijking met conventionele metingen van de trillingsfrequentie van het ion.

"Als we kwantumcontrole hebben over een object, we kunnen klassieke regels 'ombuigen' om lagere onzekerheden in bepaalde gewenste richtingen te hebben ten koste van grotere onzekerheden in andere richtingen, "De eerste auteur Katie McCormick zei. "We kunnen dan de kwantumtoestand gebruiken als een liniaal om eigenschappen van een systeem te meten. Hoe meer kwantumcontrole we hebben, hoe strakker de lijnen op de liniaal, waardoor we hoeveelheden steeds nauwkeuriger kunnen meten."

De experimenten werden uitgevoerd met een enkel beryllium-ion dat 40 micrometer boven de goudelektroden van een gekoelde elektromagnetische val werd gehouden. De nieuwe resultaten waren mogelijk omdat NIST-onderzoekers ongewenste factoren konden minimaliseren, zoals verdwaalde elektrische velden die energie uitwisselen met en het ion verstoren, zei McCormick.

Om fononen aan het ion toe te voegen, NIST-onderzoekers wisselden ultraviolette laserpulsen af ​​net boven en onder het frequentieverschil tussen twee van de "spin" -toestanden van de ionen, of interne energieconfiguraties. Elke puls draaide het ion van "spin up" naar "spin down" of vice versa, waarbij elke flip een kwantum van ionenschommelende beweging toevoegt. Om superposities te creëren, onderzoekers pasten die laserpulsen toe op slechts de helft van de golffunctie van het ion (het golfachtige patroon van de waarschijnlijkheid van de locatie en spintoestand van het deeltje). De andere helft van de golffunctie bevond zich in een derde spintoestand die niet werd beïnvloed door de laserpulsen en bewegingloos bleef.

Superposities van de bewegingsloze (of grond) toestand van het ion en een hoger fonongetal gaven NIST-onderzoekers een "kwantum-verbeterde" meetgevoeligheid, of precisie. Ze gebruikten het ion als een interferometer, een instrument dat twee deelgolven splitst en samenvoegt om een ​​interferentiepatroon te creëren dat kan worden geanalyseerd om de frequentie te karakteriseren. NIST-onderzoekers gebruikten de interferometer om de oscillatiefrequentie van het ion te meten met een onzekerheid die kleiner is dan normaal mogelijk is.

specifiek, de meetnauwkeurigheid nam lineair toe met het aantal bewegingsquanta, tot de beste prestatie in de superpositietoestand 0-en-12, die meer dan twee keer de gevoeligheid bood van een klassiek gedragen kwantumtoestand (technisch samengesteld uit een reeks getaltoestanden). Die superpositietoestand van 0-en-12 was ook meer dan zeven keer nauwkeuriger dan de eenvoudigste interferometer-superpositie van 0 en 1.

Om te begrijpen waarom superpositietoestanden helpen de oscillatiefrequentie van het ion nauwkeuriger te meten, McCormick stelt voor zich een wiel met spaken voor te stellen.

"In een bepaalde abstracte ruimte die de positie en het momentum van het ion beschrijft, de oscillatie wordt weergegeven door een rotatie, "Zei McCormick. "We willen deze rotatie heel precies kunnen meten. Superposities van de grondtoestand van de beweging van het ion en toestanden met een hoger getal zijn een goede liniaal voor deze meting omdat, in deze abstracte voorstelling, ze kunnen worden gevisualiseerd als een wiel met spaken. Deze spaken kunnen worden gebruikt om de hoeveelheid te bepalen waarmee de staat is gedraaid. En hoe hoger het getal staat, hoe meer spaken er zijn en hoe nauwkeuriger we deze rotatie kunnen meten."

De meetgevoeligheid die wordt geboden door superpositietoestanden zou moeten helpen bij het karakteriseren en verminderen van ruis in de beweging, een belangrijke foutenbron die onderzoekers willen minimaliseren bij de verwerking van kwantuminformatie met ingesloten ionen.