Fysiker vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har utnyttjat fenomenet "kvantklämning" för att förstärka och mäta biljoner-meter-rörelser av en ensam infångad magnesiumjon (elektriskt laddad atom).

Beskrevs i 21 juni -numret av Vetenskap , NIST är snabb, reversibel klämmetod kan förbättra avkänningen av extremt svaga elektriska fält i ytvetenskapliga applikationer, till exempel, eller upptäcka absorption av mycket små mängder ljus i enheter såsom atomur. Tekniken kan också påskynda operationer i en kvantdator.

"Genom att använda klämning, vi kan mäta med större känslighet än vad som kunde uppnås utan kvanteffekter, "sa huvudförfattaren Shaun Burd.

"Vi visar en av de högsta nivåerna av kvantklämning som någonsin rapporterats och använder den för att förstärka små mekaniska rörelser, "NIST -fysikern Daniel Slichter sa." Vi är 7,3 gånger mer känsliga för dessa rörelser än vad som skulle vara möjligt utan användning av denna teknik. "

Även om pressning av en apelsin kan göra en saftig röra, kvantklämning är en mycket exakt process, som flyttar mätosäkerhet från en plats till en annan.

Tänk dig att du håller en lång ballong, och luften inuti representerar osäkerhet. Kvantklämning är som att nypa ballongen i ena änden för att trycka in luft i den andra änden. Du flyttar osäkerhet från en plats där du vill ha mer exakta mätningar, till en annan plats, där du kan leva med mindre precision, samtidigt som den totala osäkerheten för systemet är densamma.

När det gäller magnesiumjonen, mätningar av dess rörelse begränsas normalt av så kallade kvantfluktuationer i jons position och momentum, som inträffar hela tiden, även när jonen har lägsta möjliga energi. Kläm manipulerar dessa fluktuationer, till exempel genom att trycka osäkerhet från positionen till momentum när förbättrad positionskänslighet önskas.

I NIST:s metod, en enda jon hålls i rymden 30 mikrometer (miljondelar av en meter) ovanför ett platt safirchip täckt med guldelektroder som används för att fånga och styra jonen. Laser- och mikrovågspulser appliceras för att lugna jonens elektroner och rörelse till sina lägsta energitillstånd. Rörelsen pressas sedan genom att vrida spänningen på vissa elektroder vid dubbelt så hög frekvens som jonens fram och tillbaka-rörelse. Denna process varar bara några mikrosekunder.

Efter klämningen, en liten, oscillerande elektriskt fält "testsignal" appliceras på jonen för att få den att röra sig lite i tredimensionellt utrymme. För att förstärkas, denna extra rörelse måste vara "i synk" med klämningen.

Till sist, klämsteget upprepas, men nu med elektrodspänningarna exakt ur synk med de ursprungliga klämspänningarna. Denna out-of-sync-klämning vänder den initiala klämningen; dock, samtidigt förstärker den den lilla rörelse som orsakas av testsignalen. När detta steg är klart, osäkerheten i jonrörelsen är tillbaka till sitt ursprungliga värde, men jonens fram och tillbaka-rörelse är större än om testsignalen hade applicerats utan några av klämstegen.

För att få resultaten, ett oscillerande magnetfält appliceras för att kartlägga eller koda jonens rörelse till dess elektroniska "snurr" -tillstånd, som sedan mäts genom att skina en laser på jonen och observera om den fluorescerar.

Genom att använda en testsignal kan NIST -forskarna mäta hur mycket förstärkning deras teknik ger. I en verklig sensingapplikation, testsignalen skulle ersättas av den faktiska signalen som ska förstärkas och mätas.

NIST -metoden kan förstärka och snabbt mäta jonrörelser på bara 50 pikometrar (biljondelar av en meter), som är ungefär en tiondel av storleken på den minsta atomen (väte) och ungefär en hundradel av storleken på de kvantfluktuationer som inte är kvittade. Även mindre rörelser kan mätas genom att upprepa experimentet fler gånger och medelvärdet av resultaten. Den klämbaserade förstärkningstekniken gör att rörelser av en given storlek kan avkännas med 53 gånger färre mätningar än vad som annars skulle behövas.

Klämning har tidigare uppnåtts i en mängd olika fysiska system, inklusive joner, men NIST-resultatet representerar en av de största klämbaserade avkänningsförbättringarna som någonsin rapporterats.

NIST:s nya klämmetod kan öka mätkänsligheten i kvantsensorer och kan användas för att snabbare skapa intrassling, som länkar egenskaper hos kvantpartiklar, vilket påskyndar kvantsimulering och kvantberäkning. Metoderna kan också användas för att generera exotiska rörelsetillstånd. Förstärkningsmetoden är tillämplig på många andra vibrerande mekaniska föremål och andra laddade partiklar som elektroner.