Sebbene gli orologi atomici siano già i dispositivi di misurazione del tempo più precisi dell’universo, i fisici stanno lavorando duramente per migliorarne ulteriormente la precisione. Un modo è sfruttare gli stati spin-squeezed negli atomi dell'orologio.
Gli stati spin-squeezed sono stati entangled in cui le particelle nel sistema cospirano per cancellare il loro rumore quantistico intrinseco. Questi stati, quindi, offrono grandi opportunità per la metrologia quantistica poiché consentono misurazioni più precise. Tuttavia, gli stati compressi nelle transizioni ottiche desiderate con poco rumore esterno sono stati difficili da preparare e mantenere.
Un modo particolare per generare uno stato di spin-squeezed, o spremitura, è posizionare gli atomi dell’orologio in una cavità ottica, una serie di specchi dove la luce può rimbalzare avanti e indietro molte volte. Nella cavità, gli atomi possono sincronizzare le loro emissioni di fotoni ed emettere un'esplosione di luce molto più luminosa di quella proveniente da qualsiasi atomo preso singolarmente, un fenomeno chiamato superradianza. A seconda di come viene utilizzata la superradianza, può portare all'entanglement o, in alternativa, può invece interrompere lo stato quantico desiderato.
In uno studio precedente, condotto in collaborazione tra JILA e NIST Fellows, Ana Maria Rey e James Thompson, i ricercatori hanno scoperto che gli atomi multilivello (con più di due stati energetici interni) offrono opportunità uniche per sfruttare l’emissione superradiante inducendo invece gli atomi a annullano le emissioni reciproche e rimangono al buio.
Ora, riportato in un paio di nuovi articoli pubblicati in Physical Review Letters e Revisione fisica A , Rey e il suo team hanno scoperto un metodo su come non solo creare stati oscuri in una cavità, ma, cosa ancora più importante, farli ruotare schiacciati. Le loro scoperte potrebbero aprire notevoli opportunità per la generazione di orologi entangled, che potrebbero ampliare la frontiera della metrologia quantistica in modo affascinante.
Per diversi anni, Rey e il suo team hanno studiato la possibilità di sfruttare la superradianza formando stati oscuri all’interno di una cavità. Poiché gli stati oscuri sono configurazioni uniche in cui i normali percorsi di emissione della luce interferiscono in modo distruttivo, questi stati non emettono luce. Rey e il suo team hanno dimostrato che gli stati oscuri possono essere realizzati quando gli atomi preparati in determinati stati iniziali vengono collocati all'interno di una cavità.
Preparati in questo modo, gli stati quantistici potrebbero rimanere impermeabili agli effetti della superradianza o dell’emissione di luce nella cavità. Gli atomi potrebbero ancora emettere luce all'esterno della cavità, ma a un ritmo molto più lento della superradianza.
L'ex ricercatore post-dottorato della JILA Asier Piñeiro Orioli, ricercatore capo nel precedente studio con Thompson, e anche collaboratore dei due studi recentemente pubblicati, ha trovato un modo semplice per comprendere l'emergere di uno stato oscuro in una cavità in termini di ciò che hanno chiamato un potenziale superradiante.
Rey dice:"Possiamo immaginare il potenziale superradiante come un ottovolante su cui viaggiano gli atomi. Mentre cadono giù dalla collina, emettono luce collettivamente, ma possono rimanere bloccati quando raggiungono una valle. Nelle valli, gli atomi formano l'oscurità stati e smettono di emettere luce nella cavità."
Nel loro precedente lavoro con Thompson, i ricercatori del JILA hanno scoperto che gli stati oscuri devono essere almeno un po' intrecciati.
"La domanda che intendevamo affrontare nei due nuovi lavori è se possono essere sia oscuri che altamente intrecciati", spiega il primo autore Bhuvanesh Sundar, ex ricercatore post-dottorato della JILA. "La parte interessante è che non solo abbiamo scoperto che la risposta è sì, ma che questi tipi di stati compressi sono piuttosto semplici da preparare."
Nei nuovi studi, i ricercatori hanno individuato due possibili modi per preparare gli atomi in stati compressi con spin altamente intrecciati. Un modo era quello di far brillare gli atomi con un laser per energizzarli al di sopra del loro stato fondamentale e poi posizionarli in punti speciali sul potenziale superradiante, noti anche come punti di sella. Nei punti di sella, i ricercatori lasciano che gli atomi si rilassino nella cavità spegnendo il laser e, cosa interessante, gli atomi rimodellano la distribuzione del rumore e diventano fortemente compressi.
"I punti di sella sono valli in cui il potenziale ha curvatura zero e pendenza zero contemporaneamente", spiega Rey. "Questi sono punti speciali perché gli atomi sono scuri ma sul punto di diventare instabili e quindi tendono a rimodellare la distribuzione del rumore fino a diventare schiacciati."
L'altro metodo proposto prevedeva il trasferimento di stati superradianti in stati oscuri. Qui, il team ha anche trovato altri punti speciali in cui gli atomi sono vicini a speciali punti “luminosi” – non in una valle delle montagne russe, ma in punti con curvatura zero – dove l’interazione tra la superradianza e un laser esterno genera spin-squeeking .
"La cosa interessante è che la compressione di rotazione generata in questi punti luminosi può quindi essere trasferita in uno stato oscuro in cui, dopo un appropriato allineamento, possiamo spegnere il laser e preservare la compressione", aggiunge Sundar.
Questo trasferimento funziona guidando prima gli atomi in una valle del potenziale superradiante e poi utilizzando laser con polarizzazioni appropriate (o direzioni delle oscillazioni della luce) per allineare coerentemente le direzioni compresse, rendendo gli stati compressi immuni alla superradianza.
Il trasferimento degli stati compressi in stati oscuri non solo ha preservato le caratteristiche di rumore ridotto degli stati compressi, ma ne ha anche assicurato la sopravvivenza in assenza di essere guidati da un laser esterno, un fattore cruciale per le applicazioni pratiche nella metrologia quantistica.
Mentre lo studio pubblicato su Physical Review Letters ha utilizzato solo una polarizzazione della luce laser per indurre la compressione dello spin, generando due modalità di compressione, la Physical Review A l'articolo ha portato questa simulazione ulteriormente utilizzando entrambe le polarizzazioni della luce laser, ottenendo quattro modalità spin-squeeze (due modalità per ciascuna polarizzazione).
"In questi due articoli, abbiamo considerato atomi multilivello con molti livelli interni", afferma Piñeiro Orioli, "e avere molti livelli interni è più difficile da simulare che avere due livelli, che è spesso studiato in letteratura. Quindi, abbiamo sviluppato una serie di strumenti per risolvere questi sistemi multilivello. Abbiamo elaborato una formula per calcolare l'entanglement generato dallo stato iniziale."
I risultati di questi studi possono avere implicazioni di vasta portata per gli orologi atomici. Superando le limitazioni della superradianza attraverso la generazione di stati entangled oscuri, i fisici immagazzinano gli stati entangled utilizzando gli atomi come memoria (consentendo il recupero di informazioni da questi stati) o iniettano lo stato entangled in una sequenza di orologio o interferometro per la generazione quantistica. -misure migliorate.
Ulteriori informazioni: Bhuvanesh Sundar et al, Squeezing Multilevel Atoms in Dark States tramite Cavity Superradiance, Lettere di revisione fisica (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.033601. Su arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2302.10828
Bhuvanesh Sundar et al, Spremitura a quattro modalità dissipativa guidata di atomi multilivello in una cavità ottica, Revisione fisica A (2024). DOI:10.1103/PhysRevA.109.013713. Su arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2309.10717
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