Para penyelidik telah menemui cara yang mudah tetapi berkuasa untuk melindungi atom daripada kehilangan maklumat-cabaran utama dalam membangunkan teknologi kuantum yang boleh dipercayai.
Dengan bersinar satu rasuk laser yang ditala dengan teliti pada gas atom, mereka berjaya mengekalkan putaran dalaman atom yang disegerakkan, secara dramatik mengurangkan kadar di mana maklumat hilang. Dalam sensor kuantum dan sistem memori, atom sering kehilangan orientasi magnet-atau "spin" -wan mereka bertembung antara satu sama lain atau dinding bekas mereka.
Fenomena ini, yang dikenali sebagai kelonggaran putaran, sangat mengehadkan prestasi dan kestabilan peranti tersebut. Kaedah tradisional untuk mengatasi ia memerlukan operasi dalam medan magnet yang sangat rendah dan menggunakan perisai magnet yang besar.
Kaedah baru menghalang kekangan tersebut sepenuhnya. Daripada melindungi sistem secara magnetik, ia menggunakan cahaya untuk mengalihkan tahap tenaga atom secara terang -terangan, menjajarkan putaran atom dan menjaga mereka selari, walaupun mereka bergerak dan bertembung. Ini mewujudkan keadaan putaran yang lebih berdaya tahan yang secara semulajadi dilindungi daripada penyingkiran.
Dalam eksperimen makmal dengan wap cesium yang hangat, teknik mengurangkan kerosakan putaran dengan faktor 10 dan sensitiviti magnet yang lebih baik. Kejayaan ini menunjukkan bahawa satu rasuk cahaya dapat memanjangkan masa koheren putaran atom, membuka pintu kepada sensor kuantum, magnetometer, dan peranti ingatan yang lebih padat, tepat, dan mantap.
Satu pasukan ahli fizik dari Jabatan Fizik Gunaan dan Pusat Nanoscience dan Nanoteknologi Universiti Ibrani, dengan kerjasama Sekolah Fizik Gunaan dan Kejuruteraan di Cornell University, telah melancarkan kaedah baru yang kuat untuk melindungi spin atom dari "bunyi bising" -a ke arah memperbaiki sistem ketepatan dan ketahanan.
Kajian itu, "Perlindungan optik atom-atom alkali dari kelonggaran putaran," oleh Avraham Berrebi, Mark Dikopoltsev, Prof. Ori Katz (Universiti Ibrani), dan Prof. atau Katz (Cornell University), telah diterbitkan dalamSurat Kajian Fizikaldan berpotensi merevolusikan bidang yang bergantung kepada penderiaan magnet dan koheren atom.
Atom dengan elektron yang tidak berpasangan seperti yang ada di cesium wap-mempunyai harta "spin," yang berinteraksi dengan medan magnet dan oleh itu boleh digunakan untuk pengukuran ultra sensitif medan magnet, graviti, dan juga aktiviti otak. Tetapi putaran ini sangat rapuh.
Malah gangguan terkecil dari atom sekitar atau dinding kontena boleh menyebabkan mereka kehilangan orientasi mereka, proses yang dikenali sebagai kelonggaran putaran. Sehingga kini, melindungi putaran ini dari gangguan tersebut telah memerlukan persediaan rumit atau hanya bekerja di bawah keadaan yang sangat spesifik. Kaedah baru mengubahnya.
Cahaya laser sebagai perisai
Para penyelidik membangunkan satu teknik yang menggunakan rasuk laser tunggal, tepat untuk menyegerakkan presesi putaran atom dalam medan magnet-walaupun atom sentiasa bertabrakan antara satu sama lain dan persekitaran mereka.
Bayangkan senario di mana beratus -ratus puncak berputar kecil terkurung di dalam kotak. Biasanya, interaksi antara puncak ini boleh mengganggu konfigurasi spin mereka, menyebabkan seluruh sistem jatuh dari penyegerakan. Kesan ini menjadi lebih dominan dalam medan magnet yang tinggi, kerana proses TOPS dan mengubah orientasi mereka lebih cepat.
Walau bagaimanapun, kaedah tertentu menggunakan cahaya untuk mengekalkan penyegerakan dalam sistem. Dengan menangani perbezaan dalam pelbagai konfigurasi spin, cahaya secara berkesan menyimpan semua puncak berputar dalam harmoni, mencegah gangguan dan membolehkan tingkah laku koperasi di kalangan entiti berputar, walaupun di medan magnet yang tinggi. Pendekatan ini menyoroti interaksi menarik antara dinamik spin cahaya dan atom.
Para penyelidik mencapai peningkatan sembilan kali ganda dalam berapa lama atom cesium mengekalkan orientasi spin mereka. Hebatnya, perlindungan ini berfungsi walaupun atom-atom memantul dinding sel bersalut anti-relaxation khas dan mengalami perlanggaran dalaman yang kerap.
Potensi dunia nyata
Teknik ini dapat meningkatkan peranti yang bergantung pada putaran atom, termasuk:
Sensor kuantum dan magnetometer yang digunakan dalam pengimejan perubatan, arkeologi, dan penjelajahan ruang angkasa
Sistem navigasi ketepatan yang tidak bergantung pada GPS
Platform maklumat kuantum di mana kestabilan putaran adalah kunci untuk menyimpan dan memproses maklumat
Kerana kaedah ini berfungsi dalam persekitaran "hangat" dan tidak memerlukan penyejukan yang melampau atau penalaan medan rumit, ia mungkin lebih praktikal untuk aplikasi dunia nyata daripada pendekatan yang ada.
"Pendekatan ini membuka bab baru dalam melindungi sistem kuantum dari bunyi bising," kata para penyelidik. "Dengan memanfaatkan gerakan semula jadi atom dan menggunakan cahaya sebagai penstabil, kini kita dapat mengekalkan koheren merentasi pelbagai keadaan yang lebih luas daripada sebelumnya."
Penyelidikan ini dibina pada dekad kerja dalam fizik atom, tetapi ini menggunakan penyelesaian yang mudah dan elegan untuk menyelaraskan atom-adalah lonjakan ke hadapan. Ia boleh membuka jalan untuk teknologi kuantum yang lebih mantap, tepat, dan boleh diakses dalam masa terdekat.
