Айнщайн го нарече „призрачно действие“: Сега то ще помогне за създаването на най-точния часовник в историята

Измерването на света около нас с висока точност е много по-трудна задача, отколкото изглежда. В много малки мащаби природата се държи хаотично, а правилата на квантовата физика правят дори най-добрите инструменти малко несигурни. Това ограничава точността на измерване на величини като електромагнитни полета, гравитация или време.

Сега едно ново изследване показва, че квантовото заплитане може да помогне за преодоляването на тези ограничения по съвсем нов начин. Чрез свързване на атоми, които се намират на различни места, авторите на изследването са открили начин за измерване на промените във физическите величини в пространството с много по-голяма точност.

Работата превръща една някога теоретична идея в практически метод, който може да подобри някои от най-точните инструменти за измерване, създавани някога.

„Досега никой не е правил такива квантови измервания с пространствено разделени заплетени атомни облаци, а теоретичната основа на такива измервания също оставаше неясна.“

казва Ифан Ли, един от авторите на изследването и постдокторант в Университета в Базел

Експериментът започва с атоми, охладени до изключително ниски температури, при които квантовите ефекти стават доминиращи. Всеки от тези атоми се държи като малък въртящ се магнит. Посоката на въртене се променя в отговор на електромагнитни полета, което го превръща в чувствителна сонда за околната среда.

Обикновено, когато много атоми се измерват независимо, техните случайни квантови флуктуации се сумират и ограничават точността. За да заобиколят това, физиците използват заплитането – квантов ефект, който свързва частиците по такъв начин, че поведението им става корелирано, дори когато са далеч една от друга. При предишни експерименти заплитането вече е било използвано за подобряване на измерванията, но само когато всички атоми са били на едно и също място. Това означаваше, че учените можеха да измерят много добре една точка, но не и как се променя полето от една позиция до друга.

Разделянето на заплетените атоми, без да се разкъсват връзките им, остава неразрешен проблем както експериментално, така и теоретично. Изследователите го решават, като променят реда на операциите. Вместо първо да разделят атомите, те започват с един облак от свръхстудени атоми и заплитат техните спинове, докато атомите са все още заедно.

Едва след установяването на това квантово заплитане те разделят облака на по-малки части, като ги поставят на различни места. Изненадващо, заплитането оцелява след разделянето, позволявайки на отдалечените атомни облаци да продължат да се държат като части от една квантова система, отразявайки вида корелации на дълги разстояния, подчертани в парадокса на Айнщайн-Подолски-Розен (EPR).

„Сега разширихме тази концепция, като разпределихме атомите в до три пространствено разделени облака. Получените в резултат на това ефекти на заплитане действат на разстояние, точно както в EPR парадокса.“

казва Филип Тройтлейн, един от авторите на изследването и професор в Университета в Базел

Всеки отделен облак е усещал малко по-различна част от електромагнитното поле. Като комбинират информацията от всички места, изследователите успяват да определят как полето се променя в пространството. Тъй като облаците били заплетени, обичайната квантова неопределеност била намалена и смущенията, които засягали еднакво всички атоми, били до голяма степен изравнени.

Екипът разработи и липсващата теоретична рамка, необходима за описване на такива измервания, като показа как може да се минимизира неопределеността при едновременното оценяване на множество параметри с помощта на пространствено разпределено заплитане.

Тази работа представя нов тип квантов сензор – разпределен в пространството, но функциониращ като единен координиран инструмент. Техниката може да се приложи директно към оптичните решетъчни часовници, които разчитат на голям брой атоми, разположени в пространството, за да измерват времето.

Чрез намаляване на грешките, причинени от вариациите в позицията на атомите, тези часовници могат да постигнат още по-високи нива на точност. Методът е обещаващ и за атомните гравиметри, при които откриването на начина, по който гравитацията варира на различни места е по-важно от измерването на средната ѝ сила.

Въпреки това предложеният подход е техническо предизвикателство. Поддържането на квантово заплитане при разделяне и контролиране на множество атомни облаци изисква изключителна стабилност и точност, а разширяването на метода до по-големи разстояния или повече точки на измерване ще бъде предизвикателство. Сега изследователите планират да усъвършенстват протоколите си и да ги тестват в реални прецизни инструменти.

Изследването е публикувано в списание Science.