Wetenschap
De interferentie van veel atomen en een nieuwe benadering van bosonbemonstering
Als twee objecten in het dagelijks leven 'niet van elkaar te onderscheiden' zijn, komt dat door een onvolmaakte staat van kennis. Terwijl een straatgoochelaar de bekers en ballen door elkaar gooit, zou je in principe kunnen bijhouden welke bal welke is terwijl ze tussen de bekers worden doorgegeven. Maar op de kleinste schaal in de natuur kan zelfs de goochelaar de ene bal niet van de andere onderscheiden.
Echte ononderscheidbaarheid van dit type kan het gedrag van de ballen fundamenteel veranderen. In een klassiek experiment van Hong, Ou en Mandel blijkt bijvoorbeeld dat twee identieke fotonen (ballen) die tegenover elkaar liggende zijden van een halfreflecterende spiegel raken, altijd aan dezelfde kant van de spiegel (in dezelfde beker) naar buiten komen. Dit is het gevolg van een speciaal soort interferentie, en niet van enige interactie tussen de fotonen. Met meer fotonen en meer spiegels wordt deze interferentie enorm ingewikkeld.
Het meten van het patroon van fotonen dat uit een bepaald doolhof van spiegels tevoorschijn komt, staat bekend als 'boson sampling'. Aangenomen wordt dat het onhaalbaar is om bosonbemonstering op een klassieke computer te simuleren voor meer dan enkele tientallen fotonen. Als gevolg hiervan zijn er aanzienlijke inspanningen geleverd om dergelijke experimenten met echte fotonen uit te voeren en aan te tonen dat een kwantumapparaat een specifieke rekentaak uitvoert die niet klassiek kan worden uitgevoerd. Deze inspanning heeft geresulteerd in recente claims van kwantumvoordeel met behulp van fotonen.
Nu, in een onlangs gepubliceerd artikel in Nature JILA Fellow en NIST natuurkundige en professor Adam Kaufman in Boulder Physics van de Universiteit van Colorado en zijn team hebben, samen met medewerkers van NIST (het National Institute of Standards and Technology), een nieuwe methode voor bosonbemonstering gedemonstreerd met behulp van ultrakoude atomen (in het bijzonder bosonische atomen ) in een tweedimensionaal optisch rooster van elkaar kruisende laserstralen.
Met behulp van hulpmiddelen zoals een optisch pincet kunnen specifieke patronen van identieke atomen worden voorbereid. De atomen kunnen zich met minimaal verlies door het rooster voortplanten en hun posities kunnen na hun reis met vrijwel perfecte nauwkeurigheid worden gedetecteerd. Het resultaat is een implementatie van boson-sampling die een aanzienlijke sprong vooruit is dan wat eerder is bereikt, hetzij in computersimulaties, hetzij met fotonen.
"Optische pincetten hebben baanbrekende experimenten mogelijk gemaakt in de fysica van veel lichamen, vaak voor onderzoek naar veel op elkaar inwerkende atomen, waarbij de atomen in de ruimte vastzitten en over lange afstanden met elkaar in wisselwerking staan", zegt Kaufman. ‘Er ontstaat echter een grote klasse fundamentele problemen met veel lichamen – de zogenaamde ‘Hubbard’-systemen – wanneer deeltjes zowel op elkaar kunnen inwerken als kunnen tunnelen, waarbij ze zich kwantummechanisch in de ruimte verspreiden. Al vroeg bij het bouwen van dit experiment hadden we het doel om dit pincetparadigma naar grootschalige Hubbard-systemen – deze publicatie markeert de eerste realisatie van die visie."
Technieken voor betere controle
Om deze resultaten te bereiken, gebruikten de onderzoekers verschillende geavanceerde technieken, waaronder optische pincetten (zeer gerichte lasers die individuele atomen met voortreffelijke precisie kunnen verplaatsen) en geavanceerde koelmethoden die de atomen tot bijna het absolute nulpunt brengen, waardoor hun beweging wordt geminimaliseerd en nauwkeurige metingen mogelijk worden gemaakt. controle en meting.
Net zoals een vergrootglas bij het scherpstellen een speldenprikje licht creëert, kunnen optische pincetten individuele atomen in krachtige lichtbundels houden, waardoor ze met extreme precisie kunnen worden verplaatst. Met behulp van dit pincet hebben de onderzoekers specifieke patronen van maximaal 180 strontiumatomen voorbereid in een rooster van 1000 locaties, gevormd door elkaar kruisende laserstralen die een rasterachtig patroon van potentiële energiebronnen creëren om de atomen op te vangen. De onderzoekers gebruikten ook geavanceerde laserkoelingstechnieken om de atomen voor te bereiden, zodat ze in hun laagste energietoestand bleven, waardoor ruis en decoherentie werden verminderd – veelvoorkomende uitdagingen bij kwantumexperimenten.
NIST-natuurkundige Shawn Geller legde uit dat de koeling en voorbereiding ervoor zorgden dat de atomen zo identiek mogelijk waren, waarbij alle labels werden verwijderd, zoals geïndividualiseerde interne toestanden of bewegingstoestanden, die een bepaald atoom anders zouden kunnen maken dan de andere.
‘Het toevoegen van een label betekent dat het universum kan zien welk atoom welk atoom is, zelfs als je als experimentator het label niet kunt zien’, zegt eerste auteur en voormalig JILA-student Aaron Young. "De aanwezigheid van zo'n label zou dit veranderen van een absurd moeilijk samplingprobleem in een volkomen triviaal probleem."
Een kwestie van schalen
Om dezelfde reden dat bosonbemonstering moeilijk te simuleren is, is het direct verifiëren dat de juiste bemonsteringstaak is uitgevoerd niet haalbaar voor de experimenten met 180 atomen. Om dit probleem op te lossen, bemonsterden de onderzoekers hun atomen op verschillende schalen.
Volgens Young:“We doen tests met twee atomen, waarbij we heel goed begrijpen wat er gebeurt. Vervolgens kunnen we op een tussenliggende schaal, waar we nog steeds dingen kunnen simuleren, onze metingen vergelijken met simulaties met redelijke foutmodellen voor ons experiment. schaal kunnen we continu variëren hoe moeilijk de bemonsteringstaak is door te controleren hoe onderscheidbaar de atomen zijn en te bevestigen dat er niets dramatisch misgaat."
Geller voegt eraan toe:"Wat we hebben gedaan, is tests ontwikkelen die gebruik maken van de natuurkunde die we kennen om uit te leggen wat we denken dat er gebeurt."
Door dit proces konden de onderzoekers de hoge betrouwbaarheid van de atoomvoorbereiding en de latere evolutie van de kwantumtoestanden van de atomen bevestigen in vergelijking met eerdere demonstraties van bosonbemonstering. Met name het zeer lage verlies van atomen in vergelijking met fotonen tijdens de evolutie van atomen sluit moderne computertechnieken uit die eerdere demonstraties van kwantumvoordeel ter discussie stellen.
De hoogwaardige en programmeerbare voorbereiding, evolutie en detectie van atomen in een rooster die in dit werk worden gedemonstreerd, kunnen worden toegepast in de situatie waarin de atomen op elkaar inwerken. Dit opent nieuwe benaderingen die het gedrag van echte, en anderszins slecht begrepen, kwantummaterialen simuleren en bestuderen.
"Door niet-interagerende deeltjes te gebruiken, konden we dit specifieke probleem van bosonbemonstering naar een nieuw regime brengen", zegt Kaufman. "Toch doen veel van de fysiek meest interessante en computationeel uitdagende problemen zich voor bij systemen met veel op elkaar inwerkende deeltjes. In de toekomst verwachten we dat het toepassen van deze nieuwe hulpmiddelen op dergelijke systemen de deur zal openen voor veel opwindende experimenten."