Storicamente, JILA (un istituto congiunto fondato dal National Institute of Standards and Technology [NIST] e dall'Università del Colorado Boulder) è stato leader mondiale nella misurazione del tempo di precisione utilizzando orologi atomici ottici. Questi orologi sfruttano le proprietà intrinseche degli atomi per misurare il tempo con precisione e accuratezza senza pari, rappresentando un passo avanti significativo nella nostra ricerca per quantificare la dimensione più sfuggente:il tempo.
Tuttavia, la precisione di questi orologi ha limiti fondamentali, incluso il “rumore di fondo”, che è influenzato dal “rumore di proiezione quantistica” (QPN). "Ciò deriva dalle statistiche di spin dei singoli qubit, dalla vera natura quantistica degli atomi analizzati", ha spiegato Maya Miklos, studentessa laureata del JILA.
I confronti tra orologi all’avanguardia, come quelli diretti da JILA e dal membro del NIST Jun Ye, si stanno spingendo sempre più vicino a questo limite fondamentale del rumore di fondo. Tuttavia, questo limite può essere aggirato generando entanglement quantistico nei campioni atomici, aumentandone la stabilità.
Ora, il team di Ye, in collaborazione con il membro della JILA James K. Thompson, ha utilizzato un processo specifico noto come spin squeezing per generare entanglement quantistico, con conseguente miglioramento delle prestazioni dell'orologio operante a 10 -17 livello di stabilità. Il loro nuovo apparato sperimentale, pubblicato su Nature Physics , ha anche permesso ai ricercatori di confrontare direttamente due insiemi indipendenti spin-squeezed per comprendere questo livello di precisione nella misurazione del tempo, un livello mai raggiunto prima con un orologio a reticolo ottico spin-squeezed.
Lo sviluppo di questi orologi atomici ottici potenziati ha implicazioni di vasta portata. Oltre al campo della misurazione del tempo, presentano potenziali vantaggi da utilizzare in varie esplorazioni scientifiche, tra cui la verifica di principi fisici fondamentali, il miglioramento delle tecnologie di navigazione e il possibile contributo al rilevamento delle onde gravitazionali.
"Migliorare le prestazioni dell'orologio ottico fino a, e oltre, i limiti fondamentali imposti dalla natura è già un'interessante ricerca scientifica", ha spiegato lo studente laureato della JILA John Robinson, il primo autore dell'articolo. "Se si considera quale fisica è possibile scoprire con la sensibilità migliorata, si delinea un quadro molto entusiasmante per il futuro."
Gli orologi atomici ottici non funzionano attraverso ingranaggi e pendoli ma attraverso ritmi orchestrati tra atomi e laser di eccitazione.
Il QPN rappresenta un ostacolo fondamentale alla precisione di questi orologi. Questo fenomeno nasce dall’incertezza intrinseca presente nei sistemi quantistici. Nel contesto degli orologi atomici ottici, la QPN si manifesta come un disturbo sottile ma pervasivo simile a un rumore di fondo che può oscurare la chiarezza della misurazione del tempo.
"Poiché ogni volta che si misura uno stato quantistico, questo viene proiettato in un livello energetico discreto, il rumore associato a queste misurazioni sembra simile al lancio di un mazzo di monete e al conteggio se esce testa o croce", ha detto Miklos.
"Quindi, ottieni questa legge di scala dei grandi numeri in cui la precisione della tua misurazione aumenta con la radice quadrata di N, il tuo numero di atomi. Più atomi aggiungi, migliore è la stabilità del tuo orologio. Tuttavia, c'è ci sono dei limiti perché, oltre determinate densità, si possono avere spostamenti di interazione dipendenti dalla densità, che degradano la stabilità dell'orologio."
Esistono anche limiti pratici al numero di atomi ottenibili in un orologio. Tuttavia, l’entanglement può essere utilizzato come risorsa quantistica per aggirare questo rumore di proiezione. Miklos ha aggiunto:"La radice quadrata del ridimensionamento di N vale se tali particelle non sono correlate. Se riesci a generare entanglement nel tuo campione, puoi invece raggiungere un ridimensionamento ottimale che aumenta con N."
Per affrontare la sfida posta dal QPN, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica nota come spin squeezing. In questo processo, gli stati quantistici degli atomi vengono regolati delicatamente. Sebbene le incertezze di una misurazione quantistica obbediscano sempre al principio di indeterminazione di Heisenberg, questi spin vengono "spremuti" attraverso interventi precisi, riducendo l'incertezza in una direzione e aumentandola in un'altra.
Realizzare la compressione degli spin negli orologi ottici è un risultato relativamente nuovo, ma risorse simili come la luce compressa sono state utilizzate in altri campi. "LIGO [The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory] utilizzava già la compressione degli stati del vuoto per migliorare le misurazioni delle lunghezze dell'interferometro per il rilevamento delle onde gravitazionali," ha spiegato lo studente laureato della JILA Yee Ming Tso.
Per ottenere lo spin-squeezing, il team ha creato una nuova configurazione di laboratorio comprendente un reticolo mobile verticale 1D che si interseca con una cavità ottica (un risonatore composto da due specchi) lungo la direzione orizzontale. I ricercatori hanno utilizzato i raggi laser del reticolo per spostare gli insiemi atomici su e giù per l'intero reticolo come un ascensore, con alcuni gruppi di atomi, o sottoinsiemi, che entravano nella cavità.
Questo progetto è stato ispirato da una recente collaborazione tra il gruppo di ricerca Ye e il membro della JILA Adam Kaufman, che aveva anche esplorato lo spin-squeezing in altre configurazioni di laboratorio.
"Fino a questo punto, lo spin-squeezing negli orologi ottici era stato implementato solo in esperimenti di prova di principio, in cui il rumore del laser dell'orologio oscurava il segnale", ha detto Robinson.
"Volevamo osservare direttamente l'impatto positivo dello spin-squeezing, quindi abbiamo trasformato il reticolo ottico in questo ascensore in modo tale da poterlo spin-squeezing in modo indipendente e confrontare più sottoinsiemi e, in questo modo, rimuovere l'impatto negativo dello spin-squeezing. orologio laser."
Questa configurazione ha inoltre consentito ai ricercatori di dimostrare che l'entanglement quantistico è sopravvissuto durante il trasporto di questi sottoinsiemi atomici.
Usando la cavità ottica, i ricercatori hanno manipolato gli atomi per formare stati entangled e schiacciati dallo spin. Ciò è stato ottenuto misurando le proprietà collettive degli atomi nella cosiddetta modalità di "non demolizione quantistica" (QND).
QND misura la proprietà di un sistema quantistico in modo che la misurazione non disturbi tale proprietà. Due misurazioni QND ripetute mostrano lo stesso rumore quantistico e, prendendo la differenza, si può godere della cancellazione del rumore quantistico.
In un sistema accoppiato atomo-cavità, l'interazione tra la luce che sonda la cavità ottica e gli atomi situati nella cavità ha permesso ai ricercatori di proiettare gli atomi in uno stato compresso con spin con impatto ridotto dell'incertezza QPN. I ricercatori hanno quindi utilizzato il reticolo simile ad un ascensore per mescolare un gruppo indipendente di atomi nella cavità, formando un secondo insieme compresso in spin all'interno dello stesso apparato sperimentale.
Un’innovazione chiave in questo studio è stata il confronto diretto dei due sottoinsiemi atomici. Grazie al reticolo verticale, i ricercatori hanno potuto cambiare i sottoinsiemi atomici presenti nella cavità, confrontando direttamente le loro prestazioni misurando alternativamente il tempo indicato da ciascun sottoinsieme schiacciato dallo spin.
"Inizialmente, abbiamo eseguito un classico confronto tra orologi di due sottoinsiemi atomici senza compressione degli spin", ha spiegato Tso. "Poi abbiamo spremuto entrambi i sottoinsiemi e confrontato le prestazioni dei due orologi spremuti. Alla fine, abbiamo concluso che la coppia di orologi spremuti ha funzionato meglio della coppia di orologi classici in termini di stabilità di un miglioramento di circa 1,9 dB [miglioramento del 25% circa]. Questo è abbastanza decente come primo risultato della nostra configurazione sperimentale."
Questo miglioramento della stabilità è continuato anche quando le prestazioni degli orologi sono scese in media al livello di 10 -17 stabilità della frequenza frazionaria, un nuovo punto di riferimento per le prestazioni dell'orologio a reticolo ottico schiacciato. "In una generazione di questo esperimento, abbiamo colmato all'incirca la metà del divario tra la stabilità dei migliori orologi schiacciati e i migliori orologi classici per misurazioni di precisione", ha spiegato Miklos, che, con il resto del team, spera di migliorare ulteriormente questo valore.
Con il suo confronto a doppio insieme, questa configurazione sperimentale segna un passo significativo verso lo sfruttamento della meccanica quantistica per progressi pratici e teorici, anche in campi diversi come la navigazione verso la fisica fondamentale, consentendo test di teorie gravitazionali e contribuendo alla ricerca di nuova fisica.
Miklos, Tso e il resto del team sperano che la loro nuova configurazione consentirà loro di approfondire i fondamenti della gravità.
"Le misurazioni precise dello spostamento verso il rosso gravitazionale, che sono state recentemente effettuate nel nostro laboratorio, sono qualcosa che vorremmo approfondire utilizzando questo disegno sperimentale", ha aggiunto Miklos. "Speriamo che possa dirci di più sull'universo in cui viviamo."
Ulteriori informazioni: John M. Robinson et al, Confronto diretto di due insiemi di orologi ottici schiacciati al 10 −17 livello, Fisica naturale (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02310-1
Informazioni sul giornale: Fisica della Natura
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