خلاصه خبر:
محققان در حال بررسی تکنیک‌های محاسبات کوانتومی برای افزایش دقت ساعت‌های اتمی هستند. این مطالعه طرحی را معرفی کرده که امکان استفاده همزمان از چندین ساعت اتمی را برای دقت بیشتر فراهم میکند. با کنترل حالت‌های الکترونیکی تک تک اتم‌ها با استفاده از پرتوهای لیزر، آنها به یک پیشنهاد نظری دست یافته و اطمینان میدهند که هر ساعت زمان را با نرخ‌های متفاوت ثبت میکند. این مطالعه رویکرد چندین عقربه ساعت را تقلید کرده و امکان ردیابی بهتر تغییرات زمان را فراهم میکند. برخلاف ساعت‌های فعلی که زمان را با مجموعه‌های اتمی اندازه‌گیری میکنند، این تکنیک با کنترل تک تک اتم‌ها، عملکرد بهتری را نوید میدهد. این یافته‌ها یک هم‌افزایی امیدوارکننده بین محاسبات کوانتومی و ساعت های اتمی را نشان داده که میتواند منجر به ساعت های نوری کوانتومی قابل برنامه ریزی با دقت برتر شود. مطالعه دیگری مزایای مشابهی را برجسته کرده و به پیشرفت‌های آینده در مترولوژی کوانتومی اشاره میکند.
توضیحات تکمیلی:
بر اساس مطالعه ای که در Nature Physics منتشر شده است، محققان موسسه فناوری کالیفرنیا ادغام تکنیک های محاسبات کوانتومی را برای افزایش عملکرد ساعت های اتمی بررسی کرده اند. این تیم با استفاده همزمان از چندین ساعت اتمی، پتانسیل دستیابی به دقت بیشتر در زمان‌سنجی را نشان داد. محققان از ابزارهای محاسبات کوانتومی برای بهبود عملکرد ساعت‌های اتمی استفاده کردند و به طور مؤثری پیشنهاد تئوری یک دهه پیش را محقق کردند. رویکرد آنها شامل کنترل اتم های منفرد در ساعت ها با دستکاری موقعیت آنها در یک پرتو لیزر بود که به هر اتم اجازه می داد گذر زمان را با سرعت های مختلف تجربه کند. این مفهوم ساعت چند عقربه ای عملکرد یک ساعت با عقربه های متعدد را تقلید می کند و امکان ردیابی دقیق تر فواصل زمانی کوتاه و طولانی را فراهم می کند.
یافته‌های این مطالعه نشان داد که کنترل فردی بر روی اتم‌های ساعت‌های اتمی، این پتانسیل را دارد که از دقیق‌ترین ساعت‌های فعلی که به مجموعه‌ای از اتم‌ها متکی هستند، بهتر عمل کند. این تحقیق رابطه هم افزایی بین رایانه های کوانتومی و حسگرهای کوانتومی را نشان داد و مزایای ترکیب ویژگی های آنها را برجسته کرد. کار این تیم راه را برای ساعت های نوری کوانتومی قابل برنامه ریزی با عملکرد بهبود یافته هموار می کند.
در یک توسعه مرتبط، یک گروه تحقیقاتی جداگانه به رهبری شیمون کلکوویتز در برکلی نیز مقاله‌ای را در Physical Review X منتشر کرد که رویکرد خود را برای تحقق یک ساعت چند عقربه‌ای با استفاده از تکنیکی متفاوت ارائه کرده و بیشتر بر مزایای استفاده از چندین ساعت اتمی به طور همزمان تأکید می کند.
با نگاهی به آینده، هدف محققان افزایش عملکرد ساعت با اعمال نفوذ درهم تنیدگی کوانتومی بین اتم‌های منفرد در هر ساعت است. این ادغام محاسبات کوانتومی و ساعت‌های اتمی، پتانسیل یک سیستم ترکیبی واقعی را دارد که دقت کامپیوترهای کوانتومی را با صحت ساعت‌های اتمی ترکیب میکند.
توانایی کنترل و خواندن مجموعه‌های اتمی منفرد در ساعت‌های اتمی نوری، همانطور که در این مطالعه نشان داده شد، امکاناتی را برای افزایش نمایی در حساسیت ارائه میدهد. محققان از طریق حرکات کنترل شده اتم های به دام افتاده در tweezer به آدرس دهی دلخواه و تک سایتی انتقال نوری دست یافتند. این تکنیک، که نیازی به پرتوهای آدرس دهی اضافی ندارد، امکان خوانش تداخل سنجی رمزی را به صورت تک شات (single-shot, dual-quadrature readout of Ramsey interferometry ) با استفاده از دو مجموعه اتمی به طور همزمان فراهم کرد. زمان بازجویی (interrogation time) قابل استفاده افزایش یافت که منجر به بهبود عملکرد ساعت شد.
منابع
Adam L. Shaw et al, Multi-ensemble metrology by programming local rotations with atom movements, Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-023-02323-w.
------------------------------------------------------------------------------
Xin Zheng et al, Reducing the Instability of an Optical Lattice Clock Using Multiple Atomic Ensembles, Physical Review X (2024). DOI: 10.1103/PhysRevX.14.011006.
