Visa exakt kontroll på kvantnivå, fysiker vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har utvecklat en metod för att få en jon (elektriskt laddad atom) att visa exakta kvantiteter av kvantnivårörelse-vilken specifik mängd som helst upp till 100 energipaket eller "kvanta, "mer än fem gånger föregående rekordhöga 17.

Kvantmekanik, atomvärldens grundläggande teori, säger att energi frigörs eller absorberas i små paket, eller paket, kallas quanta. Atomer frigör ljusenergi genom att utstråla fotoner, eller ljuskvantitet. När forskarna hamnar i en fälla, atoms rörelseenergi bärs av fononer, eller kvantitet av rörelse.

Förutom att skapa enstaka antal kvanter, NIST -teamet kontrollerade sin joners pendelliknande rörelse för att samtidigt uppvisa två olika mängder rörelsekvanta:noll (minsta rörelse) plus valfritt antal upp till 18. En sådan "superposition" av två tillstånd är ett kännetecken för den nyfikna kvantvärlden.

Publicerad online av Natur den 22 juli, de nya metoderna kan användas med valfri kvantmekanisk oscillator, inklusive system som svänger som en enkel pendel eller vibrerar som en fjäder. Teknikerna kan leda till att nya typer av kvantsimulatorer och sensorer använder fononer som bärare av information. Dessutom, förmågan att skräddarsy superpositionstillstånd kan förbättra kvantmätningar och kvantinformationsbehandling. Att använda jonen i en superposition som ett frekvensmätinstrument mer än fördubblade precisionen jämfört med konventionella mätningar av jonens vibrationsfrekvens.

"Om vi ​​har kvantkontroll av ett objekt, vi kan 'böja' klassiska regler för att ha lägre osäkerheter i vissa önskade riktningar på bekostnad av större osäkerheter i andra riktningar, "sa författaren Katie McCormick." Vi kan sedan använda kvanttillståndet som en linjal för att mäta egenskaper hos ett system. Ju mer kvantkontroll vi har, ju mer tätt åtskilda linjerna på linjalen är, så att vi kan mäta mängder mer och mer exakt. "

Experimenten utfördes med en enda berylliumjon som höll 40 mikrometer ovanför guldelektroderna i en kyld elektromagnetisk fälla. De nya resultaten var möjliga eftersom NIST -forskare kunde minimera oönskade faktorer som lösa elektriska fält som utbyter energi med och stör jonen, Sa McCormick.

För att lägga till fononer till jonen, NIST -forskare växlade ultravioletta laserpulser strax ovanför och under frekvensskillnaden mellan två av jonernas "snurr" -tillstånd, eller interna energikonfigurationer. Varje puls vred jonen från "snurra upp" till "snurra ner" eller vice versa, med varje flip lägga till en kvant av jon gungande rörelse. För att skapa superpositioner, forskare applicerade dessa laserpulser på endast hälften av jonens vågfunktion (det vågliknande mönstret för sannolikheten för partikelns placering och centrifugeringstillstånd). Den andra halvan av vågfunktionen befann sig i ett tredje centrifugeringsläge som var opåverkat av laserpulserna och förblev orörligt.

Superpositioner av jonets orörliga (eller mark) tillstånd och ett högre fonontal gav NIST-forskare "kvantförstärkt" mätkänslighet, eller precision. De använde jonen som en interferometer, ett instrument som delar och slår samman två partiella vågor för att skapa ett interferensmönster som kan analyseras för att karakterisera frekvens. NIST -forskare använde interferometern för att mäta jons oscillationsfrekvens med en osäkerhet som är mindre än normalt.

Specifikt, mätprecision ökade linjärt med antalet rörelsekvanter, fram till bästa prestanda i 0 och 12 superpositionstillstånd, som erbjöd mer än dubbelt så stor känslighet som ett klassiskt uppförande kvanttillstånd (tekniskt sammansatt av en uppsättning taltillstånd). Det 0-och-12 superpositionstillståndet var också mer än sju gånger mer exakt än den enklaste interferometer-superpositionen 0 och 1.

För att förstå varför superpositionstillstånd hjälper till att mäta jons oscillationsfrekvens mer exakt, McCormick föreslår att man föreställer sig ett hjul med ekrar.

"I ett visst abstrakt utrymme som beskriver jons position och momentum, oscillationen representeras av en rotation, "McCormick sa." Vi vill kunna mäta denna rotation mycket exakt. Superpositioner av jonens rörelsestillstånd och högre taltillstånd är en stor härskare för denna mätning eftersom, i denna abstrakta framställning, de kan visualiseras som ett hjul med ekrar. Dessa ekrar kan användas för att bestämma hur mycket staten har roterat. Och ju högre siffran anger, ju fler ekrar det finns och desto mer exakt kan vi mäta denna rotation. "

Den mätkänslighet som superpositionstillstånd erbjuder bör hjälpa till att karakterisera och minska brus i rörelsen, en viktig felkälla som forskare vill minimera vid kvantinformationsbehandling med instängda joner.