خلاصه خبر:
دانشمندان دانشگاه علم و فناوری چین، به رکورد جدیدی در ایجاد حالت گربه شرودینگر (Schrödinger-cat states) با زمان همدوسی بی‌سابقه ۱۴۰۰ ثانیه دست یافتند که پیشرفتی مهم در مترولوژی کوانتومی است. با به دام انداختن اتم‌های ایترابیوم-۱۷۳ در یک فضای بدون ناهمدوسی در شبکه نوری، آنها توانستندبرهم‌نهی اسپینی پایداری ایجاد کنند که به دقت اندازه‌گیری نزدیک به حد هایزنبرگ می‌رسد. این حالت پایدار کوانتومی می‌تواند حسگرهای فوق حساس کوانتومی را برای کاربردهایی مانند حسگرهای دقیق مغناطیسی، ساعت‌های اتمی و ناوبری کوانتومی ممکن سازد. با این حال، نیاز به شرایط پیچیده آزمایشگاهی، استفاده از این تکنیک را خارج از آزمایشگاه محدود می‌کند. پژوهشگران امیدوارند با توسعه این روش، کاربرد آن را در کشف پدیده‌های فیزیکی جدید و دیگر زمینه‌های علمی افزایش دهند.
توضیحات تکمیلی:
محققان دانشگاه علم و فناوری چین (USTC) با ایجاد حالت گربه شرودینگر با زمان همدوسی فوق‌العاده 1400 ثانیه، معیار جدیدی را در مترولوژی کوانتومی تعیین کرده‌اند و دقت اندازه‌گیری کوانتومی را تا حد حساسیت حد هایزنبرگ پیش برده‌اند. حالت‌های حالت‌های گربه شرودینگر (Schrödinger-cat states) برهم‌نهی‌های کوانتومی هستند که در آن ذرات به طور همزمان در دو حالت متضاد وجود دارند که تجسم آزمایش فکری معروف کوانتومی است. با این حال، این حالت ها به دلیل حساسیت آنها به اختلالات محیطی، که به راحتی می تواند انسجام را مختل کرده و استفاده عملی را محدود کند، بسیار کوتاه مدت هستند.
در این مطالعه، تیم USTC با به دام انداختن اتم‌های ایتربیوم-173 در یک «زیرزفضای عاری از ناهمدوسی» در یک شبکه نوری - ساختاری که از پرتوهای لیزر متقاطع تشکیل شده است، به حالت طولانی‌مدت دست یافت. این سِتاپ به طور موثری اتم‌ها را از تغییرات شدت نور، یک منبع رایج ناهمدوسی، از طریق استفاده از «طول موج جادویی» که سطوح انرژی را تثبیت می‌کند، جدا می‌کند. اتم های ایتربیوم-173، که دارای حالت اسپین بالا (I = 5/2) هستند، در برهم نهی دو حالت اسپین مخالف از طریق چرخش اسپین غیرخطی برده شده و حالت گربه مورد نظر را تشکیل دادند.
سپس تیم پایداری این برهم نهی را برای اندازه گیری میدان مغناطیسی با استفاده از تکنیک تداخل سنجی رمزی (Ramsey interferometric technique) نشان داد. این روش یک اندازه‌گیری تغییر فاز دو مرحله‌ای را اعمال می‌کند که امکان حساسیت نزدیک به حد هایزنبرگ، یک آستانه نظری برای دقت اندازه‌گیری کوانتومی را فراهم می‌کند.چنین حالت گربه‌ای (cat state) پایدار و با طول عمر بالایی، درهایی را به روی دسته جدیدی از حسگرهای کوانتومی فوق حساس باز می کند که می توانند در زمینه هایی که به دقت اندازه گیری بالایی نیاز دارند، مانند سنجش مغناطیسی دقیق، توسعه ساعت اتمی، و حتی کاربردهای اکتشافی در تصویربرداری پزشکی و ناوبری کوانتومی، تحولی ایجاد کنند.
با این حال، دستیابی به این مدت زمان همدوسی مستلزم شرایط آزمایشی پیچیده است. هم ترازی دقیق و الزامات پایداری فضای فرعی عاری از ناهمدوسی، این تکنیک را برای استقرار در محیط های خارج از آزمایشگاه چالش برانگیز می کند. علاوه بر این، در حالی که همدوسی کوانتومی ایتربیوم-173 آن را برای این آزمایش خاص ایده‌آل می‌کند، ممکن است ویژگی‌های آن برای همه کاربردها در مترولوژی کوانتومی، به‌ویژه مواردی که شامل سیستم‌های اتمی یا مولکولی مختلف هستند، مناسب نباشد.
علی‌رغم این محدودیت‌ها، این زمان همدوسی رکوردشکن گام مهمی در امکان‌سنجی مترولوژی کوانتومی است. هدف محققان این است که تکنیک خود را بیشتر اصلاح کنند و به طور بالقوه آن را با حالت‌های چند ذره‌ای درهم‌تنیده ادغام کنند تا حساسیت را تقویت کنند، که می‌تواند کاربردهای مختلف از تشخیص میدان‌های مغناطیسی بسیار ضعیف گرفته تا کاوش در فیزیک فراتر از مدل استاندارد را متحول کند. این مطالعه که به‌عنوان پیش‌چاپ در ArXiv در دسترس است، پتانسیل گسترده حالت‌های کوانتومی با عمر طولانی را در مترولوژی و اکتشاف علمی پیشرفته نشان می‌دهد.
منبع
https://thequantuminsider.com/2024/10/31/study-achieves-1400-second-quantum-coherence-in-schrodinger-cat-state/
https://arxiv.org/pdf/2410.09331v1
