I det dagliga livet, när två objekt är "oskiljbara", beror det på ett ofullkomligt kunskapstillstånd. När en gatumagiker klättrar i kopparna och bollarna kan du i princip hålla reda på vilken boll som är vilken när de förs mellan kopparna. Men på de minsta skalorna i naturen kan inte ens magikern skilja en boll från en annan.
Sann oskiljbarhet av denna typ kan i grunden förändra hur bollarna beter sig. Till exempel, i ett klassiskt experiment av Hong, Ou och Mandel, visar sig alltid två identiska fotoner (kulor) som träffar motsatta sidor av en halvreflekterande spegel gå ut från samma sida av spegeln (i samma bägare). Detta beror på en speciell typ av interferens, inte någon interaktion mellan fotonerna. Med fler fotoner och fler speglar blir denna interferens enormt komplicerad.
Att mäta mönstret av fotoner som kommer ut från en given labyrint av speglar kallas "bosonsampling". Bosonsampling tros vara omöjlig att simulera på en klassisk dator för mer än några tiotal fotoner. Som ett resultat har det gjorts en betydande ansträngning för att utföra sådana experiment med faktiska fotoner och visa att en kvantenhet utför en specifik beräkningsuppgift som inte kan utföras klassiskt. Denna ansträngning har kulminerat i nya påståenden om kvantfördelar med hjälp av fotoner.
Nu, i en nyligen publicerad artikel i Nature , JILA Fellow och NIST Physicist och University of Colorado Boulder Physics Professor Adam Kaufman och hans team, tillsammans med medarbetare vid NIST (National Institute of Standards and Technology), har demonstrerat en ny metod för bosonprovtagning med hjälp av ultrakalla atomer (särskilt bosoniska atomer) ) i ett tvådimensionellt optiskt gitter av korsande laserstrålar.
Med hjälp av verktyg som optisk pincett kan specifika mönster av identiska atomer framställas. Atomerna kan fortplantas genom gittret med minimal förlust, och deras positioner detekteras med nästan perfekt noggrannhet efter deras resa. Resultatet är en implementering av bosonsampling som är ett betydande steg bortom vad som har uppnåtts tidigare, antingen i datorsimuleringar eller med fotoner.
"Optisk pincett har möjliggjort banbrytande experiment inom många kroppsfysik, ofta för studier av många interagerande atomer, där atomerna sitter fast i rymden och interagerar över långa avstånd", säger Kaufman. "Men en stor klass av grundläggande många kroppsproblem - så kallade "Hubbard"-system - uppstår när partiklar kan både interagera och tunnla, kvantmekaniskt spridas ut i rymden. Tidigt med att bygga detta experiment hade vi målet att tillämpa detta pincettparadigm för storskaliga Hubbard-system – den här publikationen markerar det första förverkligandet av den visionen."
För att uppnå dessa resultat använde forskarna flera banbrytande tekniker, inklusive optisk pincett – högfokuserade lasrar som kan flytta enskilda atomer med utsökt precision – och avancerade kylningsmetoder som bringar atomerna nära absolut nolltemperatur, vilket minimerar deras rörelse och möjliggör exakt kontroll och mätning.
Liknande hur ett förstoringsglas skapar ett stick av ljus när det är fokuserat, kan en optisk pincett hålla enskilda atomer i kraftfulla ljusstrålar, vilket gör att de kan flyttas med extrem precision. Med hjälp av dessa pincett förberedde forskarna specifika mönster av upp till 180 strontiumatomer i ett gitter på 1 000 platser, bildat av korsande laserstrålar som skapar ett rutnätsliknande mönster av potentiella energibrunnar för att fånga atomerna. Forskarna använde också sofistikerade laserkylningstekniker för att förbereda atomerna, för att säkerställa att de förblev i sitt lägsta energitillstånd, och därigenom minskade brus och dekoherens – vanliga utmaningar i kvantexperiment.
NIST-fysikern Shawn Geller förklarade att kylningen och förberedelsen säkerställde att atomerna var så identiska som möjligt, och tog bort alla etiketter, såsom individualiserade inre tillstånd eller rörelsetillstånd, som kunde göra en given atom annorlunda än de andra.
"Att lägga till en etikett betyder att universum kan berätta vilken atom som är vilken, även om du inte kan se etiketten som en experimenterare", säger första författaren och tidigare JILA-studenten Aaron Young. "Närvaron av en sådan etikett skulle förändra detta från ett absurt svårt provtagningsproblem till ett som är helt trivialt."
Av samma anledning som bosonprovtagning är svår att simulera, är det inte möjligt att direkt verifiera att rätt provtagningsuppgift har utförts för experimenten med 180 atomer. För att övervinna detta problem tog forskarna prov på sina atomer i olika skalor.
Enligt Young, "Vi gör tester med två atomer, där vi förstår mycket väl vad som händer. Sedan, i en mellanskala där vi fortfarande kan simulera saker, kan vi jämföra våra mätningar med simuleringar som involverar rimliga felmodeller för vårt experiment. I stort skala, kan vi kontinuerligt variera hur svår provtagningsuppgiften är genom att kontrollera hur urskiljbara atomerna är och bekräfta att inget dramatiskt går fel."
Geller tillägger, "Vad vi gjorde var att utveckla tester som använder fysik vi känner till för att förklara vad vi tror händer."
Genom denna process kunde forskarna bekräfta den höga troheten hos atomberedningen och senare utveckling av atomernas kvanttillstånd i jämförelse med tidigare demonstrationer av bosonprovtagning. I synnerhet utesluter den mycket låga förlusten av atomer jämfört med fotoner under atomernas utveckling moderna beräkningstekniker som utmanar tidigare demonstrationer av kvantfördelar.
Den högkvalitativa och programmerbara förberedelsen, utvecklingen och detektionen av atomer i ett gitter som visas i detta arbete kan tillämpas i situationer där atomerna interagerar. Detta öppnar nya tillvägagångssätt som simulerar och studerar beteendet hos verkliga, och annars dåligt förstådda, kvantmaterial.
"Att använda icke-interagerande partiklar gjorde det möjligt för oss att ta detta specifika problem med bosonprovtagning till en ny regim", säger Kaufman. "Ändå uppstår många av de mest fysiskt intressanta och beräkningsmässigt utmanande problemen med system med många interagerande partiklar. Framöver förväntar vi oss att tillämpningen av dessa nya verktyg på sådana system kommer att öppna dörren till många spännande experiment."
Mer information: www.nature.com/articles/s41586-024-07304-4
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av JILA
