Bagaimana Spin Squeezing Mendorong Batas Akurasi Jam Atom

Fisikawan mendorong batas-batas jam atom ketepatan dengan menggunakan keadaan spin-squeezed, mencapai kendali inovatif atas kebisingan dan keterjeratan kuantum, yang mengarah pada lompatan potensial dalam metrologi kuantum.

Meskipun jam atom sudah menjadi perangkat penunjuk waktu paling tepat di alam semesta, fisikawan berupaya keras untuk meningkatkan keakuratannya lebih jauh lagi. Salah satu caranya adalah dengan memanfaatkan keadaan spin-squeezed pada atom jam. Keadaan spin-squeezed adalah keadaan terjerat di mana partikel-partikel dalam sistem bersekongkol untuk menghilangkan kebisingan kuantum intrinsiknya. Oleh karena itu, negara-negara bagian ini menawarkan peluang besar bagi metrologi yang ditingkatkan kuantum karena memungkinkan pengukuran yang lebih tepat. Namun, keadaan berputar dalam transisi optik yang diinginkan dengan sedikit kebisingan dari luar sulit untuk dipersiapkan dan dipertahankan.

Salah satu cara tertentu untuk menghasilkan keadaan spin-squeezed, atau squeezing, adalah dengan menempatkan atom jam ke dalam rongga optik, yaitu seperangkat cermin tempat cahaya dapat memantul bolak-balik berkali-kali. Di dalam rongga, atom dapat menyinkronkannya foto emisi dan memancarkan semburan cahaya yang jauh lebih terang daripada yang mana pun atom sendirian, sebuah fenomena yang disebut sebagai superradiance. Bergantung pada bagaimana superradiance digunakan, hal ini dapat menyebabkan keterjeratan, atau alternatifnya, hal ini dapat mengganggu keadaan kuantum yang diinginkan.

Dalam penelitian sebelumnya, yang dilakukan dalam kolaborasi antara JILA dan NIST Fellows, Ana Maria Rey dan James Thompson, para peneliti menemukan bahwa atom bertingkat (dengan lebih dari dua keadaan energi internal) menawarkan peluang unik untuk memanfaatkan emisi superradian dengan menginduksi atom ke membatalkan emisi satu sama lain dan tetap gelap.

Sekarang, dilaporkan dalam sepasang makalah baru yang diterbitkan di Surat Tinjauan Fisik Dan Tinjauan Fisik A, Rey dan timnya menemukan metode yang tidak hanya menciptakan keadaan gelap di dalam rongga, namun yang lebih penting, membuat keadaan ini berputar-putar. Temuan mereka dapat membuka peluang luar biasa untuk menghasilkan jam yang terjerat, yang dapat mendorong batas metrologi kuantum dengan cara yang menarik.

Berguling Ke Keadaan Gelap di Roller Coaster Superradiant

Selama beberapa tahun, Rey dan timnya telah mempelajari kemungkinan memanfaatkan cahaya super dengan membentuk keadaan gelap di dalam rongga. Karena keadaan gelap adalah konfigurasi unik di mana jalur emisi cahaya biasa berinterferensi secara destruktif, keadaan ini tidak memancarkan cahaya. Rey dan timnya telah menunjukkan bahwa keadaan gelap dapat terwujud ketika atom-atom yang dipersiapkan dalam keadaan awal tertentu ditempatkan di dalam rongga. Jika dipersiapkan dengan cara ini, keadaan kuantum dapat tetap kebal terhadap efek superradiance atau emisi cahaya ke dalam rongga. Atom masih bisa memancarkan cahaya di luar rongga, namun dengan kecepatan yang jauh lebih lambat dibandingkan superradiance.

Mantan peneliti pascadoktoral JILA Asier Piñeiro Orioli, peneliti utama dalam penelitian sebelumnya dengan Thompson, dan juga kontributor pada dua penelitian yang baru-baru ini diterbitkan, menemukan cara sederhana untuk memahami munculnya keadaan gelap di rongga dalam istilah yang mereka sebut. potensi yang sangat cemerlang.

Rey menguraikan: “Kita dapat membayangkan potensi superradian sebagai roller coaster yang dilalui atom. Saat mereka jatuh dari bukit, mereka memancarkan cahaya secara kolektif, tapi mereka bisa terjebak saat mencapai lembah. Di lembah, atom membentuk keadaan gelap dan berhenti memancarkan cahaya ke dalam rongga.”
Dalam penelitian mereka sebelumnya dengan Thompson, para peneliti JILA menemukan bahwa keadaan gelap setidaknya harus sedikit terjerat.

“Pertanyaan yang ingin kami jawab dalam dua karya baru ini adalah apakah keduanya bisa bersifat kelam dan sangat rumit,” jelas penulis pertama Bhuvanesh Sundar, mantan peneliti pascadoktoral JILA. “Bagian yang menarik adalah kami tidak hanya menemukan bahwa jawabannya adalah ya, namun kondisi-kondisi seperti ini cukup mudah untuk dipersiapkan.”

Menciptakan Keadaan Gelap yang Sangat Terjerat

Dalam studi baru, para peneliti menemukan dua cara yang mungkin untuk mempersiapkan atom dalam keadaan spin-squeezed yang sangat terjerat. Salah satu caranya adalah dengan menyinari atom dengan laser untuk memberinya energi di atas keadaan dasarnya dan kemudian menempatkannya pada titik khusus pada potensi superradian, yang juga dikenal sebagai titik pelana. Pada titik pelana, para peneliti membiarkan atom-atom bersantai di dalam rongga dengan mematikan laser, dan yang menarik, atom-atom tersebut membentuk kembali distribusi kebisingannya dan menjadi sangat terjepit.

“Titik pelana adalah lembah yang potensinya mempunyai kelengkungan nol dan kemiringan nol secara bersamaan,” jelas Rey. “Ini adalah poin khusus karena atom berwarna gelap tetapi berada di ambang ketidakstabilan sehingga cenderung mengubah distribusi kebisingannya menjadi terjepit.”

Metode lain yang diusulkan melibatkan pemindahan keadaan superradian ke keadaan gelap. Di sini, tim juga menemukan titik khusus lainnya di mana atom berada dekat dengan titik “terang” khusus—bukan di lembah roller coaster, namun pada titik dengan kelengkungan nol—di mana interaksi antara superradiance dan laser eksternal menghasilkan spin-squeezing. .

“Hal yang menarik adalah bahwa putaran yang dihasilkan pada titik-titik terang ini kemudian dapat ditransfer ke keadaan gelap di mana, setelah penyelarasan yang tepat, kita dapat mematikan laser dan mempertahankan tekanan tersebut,” tambah Sundar.

Transfer ini bekerja dengan terlebih dahulu mendorong atom ke dalam lembah potensial superradian dan kemudian menggunakan laser dengan polarisasi (atau arah osilasi cahaya) yang sesuai untuk menyelaraskan arah yang diperas secara koheren, sehingga keadaan yang diperas kebal terhadap superradiansi.

Pemindahan keadaan terjepit ke keadaan gelap tidak hanya mempertahankan karakteristik kebisingan yang berkurang dari keadaan terjepit, namun juga memastikan kelangsungan hidup keadaan tersebut tanpa adanya penggerak laser eksternal, yang merupakan faktor penting untuk penerapan praktis dalam metrologi kuantum.

Sementara penelitian yang dipublikasikan di Physical Review Letters hanya menggunakan satu polarisasi sinar laser untuk menginduksi pemerasan putaran, menghasilkan dua mode pemerasan, makalah Tinjauan Fisik A membawa simulasi ini lebih jauh dengan menggunakan kedua polarisasi sinar laser, sehingga menghasilkan empat mode pemerasan putaran. (dua mode untuk setiap polarisasi).

“Dalam dua makalah ini, kami membahas atom bertingkat dengan banyak tingkat internal,” jelas Piñeiro Orioli, “dan memiliki banyak tingkat internal lebih sulit untuk disimulasikan daripada memiliki dua tingkat, yang sering dipelajari dalam literatur. Jadi, kami mengembangkan seperangkat alat untuk menyelesaikan sistem bertingkat ini. Kami menyusun rumus untuk menghitung keterjeratan yang dihasilkan dari keadaan awal.”

Peningkatan Metrologi Kuantum

Temuan penelitian ini dapat mempunyai implikasi luas terhadap jam atom. Dengan mengatasi keterbatasan superradiance melalui pembangkitan keadaan terjerat gelap, fisikawan menyimpan keadaan terjerat menggunakan atom sebagai memori (memungkinkan pengambilan informasi dari keadaan terjerat) atau menyuntikkan keadaan terjerat ke dalam rangkaian jam atau interferometer untuk kuantum -pengukuran yang ditingkatkan.

Referensi:

“Memeras Atom Bertingkat di Keadaan Gelap melalui Cavity Superradiance” oleh Bhuvanesh Sundar, Diego Barberena, Ana Maria Rey dan Asier Piñeiro Orioli, 17 Januari 2024, Surat Tinjauan Fisik.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.033601

“Pemerasan atom bertingkat empat mode disipatif-didorong dalam rongga optik” oleh Bhuvanesh Sundar, Diego Barberena, Ana Maria Rey dan Asier Piñeiro Orioli, 17 Januari 2024, Tinjauan Fisik A.
DOI: 10.1103/PhysRevA.109.013713

Penelitian ini didukung oleh Departemen Energi AS, Kantor Sains, Pusat Penelitian Sains Informasi Kuantum Nasional Akselerator Sistem Kuantum, dan Institut Standar dan Teknologi Nasional (NIST).