Физики из Национального института стандартов и технологий (NIST), соединили вместе или «запутали» механическое движение и электронные свойства крошечного синего кристалла, что дало ему квантовое преимущество в измерении электрических полей с рекордной чувствительностью, которая может улучшить понимание Вселенная.
Квантовый датчик состоит из 150 ионов бериллия (электрически заряженных атомов), заключенных в магнитное поле, поэтому они самоорганизуются в плоский 2D-кристалл диаметром всего 200 миллионных метра. Такие квантовые датчики могут обнаруживать сигналы от темной материи - загадочного вещества, которое может оказаться, среди других теорий, субатомными частицами, которые взаимодействуют с нормальной материей через слабое электромагнитное поле. Присутствие темной материи может вызывать колебания кристалла характерным образом, что проявляется в коллективных изменениях между ионами кристалла в одном из их электронных свойств, известном как спин.
Как описано в выпуске журнала Science от 6 августа 2021 года , исследователи могут измерять колебательное возбуждение кристалла - плоскую плоскость, движущуюся вверх и вниз, как головка барабана, - путем отслеживания изменений в коллективном вращении. Измерение вращения показывает степень колебательного возбуждения, называемого смещением.
Этот датчик может измерять внешние электрические поля, которые имеют ту же частоту вибрации, что и кристалл, с более чем в 10 раз большей чувствительностью, чем любой ранее продемонстрированный атомный датчик. (Технически датчик может измерять 240 нановольт на метр за одну секунду.) В экспериментах исследователи применяют слабое электрическое поле для возбуждения и проверки кристаллического датчика. Поиск темной материи мог бы найти такой сигнал.
«Ионные кристаллы могут обнаруживать определенные типы темной материи - например, аксионы и скрытые фотоны, - которые взаимодействуют с нормальной материей через слабое электрическое поле», - сказал старший автор NIST Джон Боллинджер.
«Темная материя формирует фоновый сигнал с частотой колебаний, которая зависит от массы частицы темной материи. Эксперименты по поиску этого типа темной материи продолжаются более десяти лет со сверхпроводящими цепями. Движение захваченных ионов обеспечивает чувствительность в другом диапазоне частот ».
Группа Боллинджера работает с ионным кристаллом более десяти лет. Новым является использование определенного типа лазерного света для запутывания коллективного движения и спинов большого количества ионов, а также то, что исследователи называют стратегией «обращения времени» для обнаружения результатов.
Эксперимент выиграл от сотрудничества с теоретиком NIST Аной Марией Рей, которая работает в JILA, совместном институте NIST и Университета Колорадо в Боулдере. По словам Боллинджера, теоретическая работа имела решающее значение для понимания ограничений лабораторной установки, предложила новую модель для понимания эксперимента, которая действительна для большого количества захваченных ионов, и продемонстрировала, что квантовое преимущество происходит от запутывания спина и движения.
Рей отметил, что запутанность полезна для подавления внутреннего квантового шума ионов. Однако измерение запутанного квантового состояния без разрушения информации, разделяемой спином и движением, затруднено.
«Чтобы избежать этой проблемы, Джон может изменить динамику и разделить вращение и движение после применения смещения».
Сказал Рей.
«На этот раз инверсия времени разделяет спин и движение, и теперь в самом коллективном вращении хранится информация о смещении, и когда мы измеряем вращение, мы можем очень точно определить смещение. Это здорово!»
Исследователи использовали микроволны для получения желаемых значений вращения. Ионы могут вращаться вверх, вращаться вниз или под другими углами, включая оба одновременно, особое квантовое состояние. В этом эксперименте все ионы имели одинаковый спин - сначала вверх, а затем горизонтальный, поэтому при возбуждении они вращались вместе по схеме, характерной для вращающихся волчков.
Перекрещенные лазерные лучи с разницей в частоте, которая была почти такой же, как и движение, использовались для запутывания коллективного спина с движением. Затем кристалл подвергался колебательному возбуждению. Те же лазеры и микроволны использовались, чтобы избавиться от запутывания. Чтобы определить, насколько сдвинулся кристалл, исследователи измерили уровень флуоресценции спина ионов (вращение вверх рассеивает свет, вращение вниз - темное).
Ожидается, что в будущем увеличение количества ионов до 100 000 за счет создания трехмерных кристаллов улучшит чувствительность в тридцать раз. Кроме того, стабильность возбужденного движения кристалла могла бы быть улучшена, что улучшило бы процесс обращения времени и точность результатов.
