خلاصه خبر:
محققان دانشگاه کلرادو بولدر و NIST یک ساعت نوری پیشگامانه اتمی با استفاده از درهم تنیدگی کوانتومی برای افزایش دقت فراتر از حد استاندارد کوانتومی توسعه داده‌اند. آنها با درهمتنیدگی خوشه‌های اتم‌های استرانسیم، عدم قطعیت در اندازه‌گیری‌های زمانی را کاهش دادند و به طور قابل‌توجهی دقت را بهبود بخشیدند. درهم تنیدگی باعث می‌شود اتم‌ها مانند یک سیستم واحد رفتار کنند و به ساعت اجازه می‌دهد دقیق‌تر «تیک» کند. اگرچه این درهم تنیدگی تنها 3 میلی ثانیه طول می کشد، این پیشرفت می تواند به زمان سنجی بسیار دقیق و فناوری های کوانتومی جدید، از جمله حسگرهای محیطی حساس و رایانه های کوانتومی منجر شود. این مطالعه همچنین رویکرد جدیدی را با استفاده از حالت‌های گرینبرگر-هورن-زیلینگر (GHZ) برای تخمین فاز بهتر نشان داد و مرزهای دقت کوانتومی را به سمت حد هایزنبرگ سوق داد.
توضیحات تکمیلی:
محققان دانشگاه کلرادو بولدر و مؤسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) به پیشرفتی در توسعه ساعت‌های اتمی نوری دست یافته‌اند و درهم تنیدگی کوانتومی را برای افزایش قابل توجه دقت معرفی کرده‌اند. این ساعت‌ها که برای اندازه‌گیری زمان به تیک تاک طبیعی اتم‌ها متکی هستند، این پتانسیل را دارند که نحوه اندازه‌گیری زمان را دوباره تعریف کنند و فناوری‌های جدیدی در زمینه‌هایی مانند سنجش و محاسبات کوانتومی ایجاد کنند.
ساعت‌های اتمی نوری به دلیل دقت باورنکردنی‌شان معروف هستند و می‌توانند حتی کوچک‌ترین تغییرات زمان ناشی از تغییرات گرانش یا ارتفاع را تشخیص دهند. آنها با به دام انداختن اتم هایی مانند استرانسیم در یک ساختار شبکه و خنک کردن آنها تا نزدیک به صفر مطلق کار می کنند. لیزرها برای برانگیختن اتم‌ها استفاده می‌شوند و باعث می‌شوند الکترون‌های آنها بین سطوح مختلف انرژی در نوسان باشند، شبیه به حرکت یک آونگ. این «تیک‌ها» در فرکانس‌های فوق‌العاده بالا – بیش از یک تریلیون بار در ثانیه – اتفاق می‌افتند و ساعت‌های اتمی نوری را به یکی از دقیق‌ترین دستگاه‌های زمان‌سنجی تبدیل می‌کنند. با این حال، حتی این ساعت‌ها نیز توسط یک محدودیت اساسی به نام «حد کوانتومی استاندارد» محدود شده‌اند که از عدم قطعیت‌های طبیعی در سیستم‌های کوانتومی ناشی می‌شود.
برای غلبه بر این محدودیت، فیزیکدان آدام کافمن و تیمش از درهم تنیدگی کوانتومی استفاده کردند - پدیده ای که در آن حالات ذرات در هم تنیده می شوند، بنابراین اطلاعات مربوط به یک ذره به طور خودکار اطلاعاتی در مورد ذره دیگر می دهد. با درهمتنیدگی گروه‌هایی از اتم‌های استرانسیم، محققان توانستند کاری کنند که این اتم‌ها رفتار قابل‌پیش‌بینی‌تری داشته باشند، به‌گونه‌ای که گویی یک موجودیت واحد هستند تا اجزایی جدا. در اصل، آنها چندین "ساعت" درهم تنیده ایجاد کردند که به طور همزمان در یک دستگاه کار می کردند.
آزمایش‌های این تیم، اتم‌ها را در خوشه‌های دو، چهار و هشت تایی درهم‌تنیده کرد و به آنها اجازه داد تا در شرایط خاص از حد استاندارد کوانتومی فراتر روند. این امر با دستکاری الکترون‌های اتم‌ها به‌دست آمد تا مدارهای آنها «پف کرده (fluffy)» و دور از هسته شوند و برهمکنش‌های آنها را افزایش دهند. این اتم‌های درهم‌تنیده عدم قطعیت کمتری در نوسانات خود نشان دادند و به ساعت اجازه دادند زمان را با دقت بیشتری در مدت زمان کوتاه‌تر اندازه‌گیری کند.
با وجود این موفقیت، این فناوری همچنان با محدودیت هایی مواجه است. درهم تنیدگی بین اتم ها شکننده است و قبل از اینکه ناپایدار شود فقط حدود 3 میلی ثانیه طول می کشد و باعث می شود ساعت دقت خود را از دست بدهد. با این حال، کافمن نسبت به پیشرفت‌های آینده خوش‌بین است و این تکنیک را پله‌ای به سوی فناوری‌های کوانتومی جدید، مانند حسگرهای فوق حساس می‌داند که قادر به تشخیص تغییرات ظریف در عوامل محیطی مانند گرانش هستند.
این مطالعه که در Nature منتشر شده است، نشان دهنده یک نقطه عطف بزرگ در زمینه مترولوژی کوانتومی است. در مقاله منتشزشده از این گروه دیدگاه فنی تری ارائه شده است و ذکر شده که که چگونه تیم حالت های گربه شرودینگر از نوع گرینبرگر-هورن-زیلینگر (GHZ) را با استفاده از حداکثر نه کیوبیت در یک آرایه اتمی قابل برنامه ریزی ایجاد کرد.
آنها با ترکیب درهم تنیدگی کوانتومی با گیت‌های رایدبرگ، کاهش ناپایداری فرکانس کسری را زیر حد استاندارد کوانتومی تا چهار کیوبیت نشان دادند. اگرچه درهم‌تنیدن یک اندازه از حالت GHZ در بهبود دقت در شرایط بهینه موفقیت محدود بود، تیم تحقیقاتی با توسعه توالی (cascade) از حالت‌های GHZ در اندازه‌های مختلف بر این چالش غلبه کنند و تخمین فاز را در بازه‌های زمانی طولانی‌تر انجام دهند.
این یافته‌ها نشان‌دهنده گامی حیاتی در جهت دستیابی به حد هایزنبرگ - مرز نهایی دقت کوانتومی است. رویکرد این تیم به درهمتنیدگی اتم‌ها همچنین می‌تواند منجر به پیشرفت‌های جدیدی در محاسبات کوانتومی، به ویژه در توسعه گیت‌های چند کیوبیتی شود که برای انجام محاسبات ضروری هستند. کافمن و تیمش امیدوارند با بهره‌برداری از کنترل دقیقی که بر روی اتم‌ها و حالت‌های آنها دارند، ساعت‌های کوانتومی و سیستم‌های محاسباتی پیشرفته‌تری در آینده بسازند.
به طور خلاصه، این تحقیق درهای جدیدی را برای دستگاه‌های زمان‌سنجی پیشرفته کوانتومی و سایر فناوری‌هایی که بر کنترل دقیق سیستم‌های کوانتومی متکی هستند، باز می‌کند. با بلوغ فناوری، این ساعت‌های کوانتومی نه تنها می‌توانند زمان‌سنجی را دوباره تعریف کنند، بلکه می‌توانند زمینه‌هایی مانند سنجش، ناوبری و محاسبات را نیز متحول کنند.
منبع
https://phys.org/news/2024-10-quantum-physicists-entanglement-precision-optical.html?utm_source=twitter.com&utm_medium=social&utm_campaign=v2
Adam Kaufman et al, Multi-qubit gates and Schrödinger cat states in an optical clock, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07913-z. www.nature.com/articles/s41586-024-07913-z
https://www.colorado.edu/today/2024/10/09/new-quantum-timekeeper-packs-several-clocks-one
