Atom bertingkat pada “roller coaster” potensial superradian di dalam rongga optik. Sistem ini dapat disetel untuk menghasilkan tekanan dalam kondisi gelap, yang akan kebal terhadap superradiasi. Kredit: Steven Burrows/Grup Rey
Meskipun jam atom sudah menjadi alat pencatat waktu paling akurat di alam semesta, fisikawan berupaya keras untuk lebih meningkatkan akurasinya. Salah satu caranya adalah dengan menggunakan keadaan spin-squeezed pada atom jam.
Keadaan spin-squeezed adalah keadaan terjerat di mana partikel-partikel dalam suatu sistem bersekongkol untuk menghilangkan derau kuantumnya sendiri. Oleh karena itu, negara-negara bagian ini menawarkan peluang besar untuk metrologi yang ditingkatkan kuantum karena memungkinkan pengukuran yang lebih tepat. Namun, sulit untuk mempersiapkan dan mempertahankan keadaan spin-locked dalam transisi optik yang diinginkan dengan sedikit noise eksternal.
Salah satu cara tertentu untuk menghasilkan keadaan spin-squeezed, atau squeezing, adalah dengan menempatkan atom jam dalam rongga optik, seperangkat cermin tempat cahaya dapat memantul berkali-kali. Di dalam rongga tersebut, atom dapat menyinkronkan emisi fotonnya untuk memancarkan kilatan cahaya yang jauh lebih terang dibandingkan hanya dari atom mana pun, sebuah fenomena yang dikenal sebagai superradiance. Bergantung pada bagaimana superradiance digunakan, hal ini dapat menyebabkan keterikatan atau, alternatifnya, dapat mengganggu keadaan kuantum yang diinginkan.
Dalam penelitian sebelumnya, yang dilakukan melalui kolaborasi antara JILA dan NIST Fellows, Ana Maria Rey dan James Thompson, para peneliti menemukan bahwa atom bertingkat (dengan lebih dari dua keadaan energi internal) menawarkan peluang unik untuk memanfaatkan emisi superradian dengan menginduksi atom, untuk batalkan emisi satu sama lain dan tetap gelap.
Sekarang, seperti yang dilaporkan dalam dua makalah baru yang diterbitkan dalam Physical Review Letters dan Physical Review A, Rey dan timnya telah menemukan metode yang tidak hanya menciptakan kondisi gelap di dalam rongga, namun yang lebih penting, mengompresi kondisi tersebut. Temuan mereka dapat membuka peluang luar biasa untuk menghasilkan jam rumit yang secara menarik dapat mendorong batas-batas metrologi kuantum.
Berguling ke dalam kegelapan dengan roller coaster yang sangat bersinar
Selama beberapa tahun, Rey dan timnya telah mempelajari kemungkinan memanfaatkan cahaya super dengan menciptakan keadaan gelap di dalam rongga. Karena keadaan gelap adalah konfigurasi unik di mana jalur emisi cahaya biasa berinterferensi secara destruktif, keadaan ini tidak memancarkan cahaya. Rey dan timnya menunjukkan bahwa keadaan gelap dapat terwujud ketika atom-atom yang dipersiapkan dalam keadaan awal tertentu ditempatkan dalam sebuah rongga.
Keadaan kuantum yang disiapkan dapat tetap tahan terhadap efek superradiance atau emisi cahaya rongga. Atom masih bisa memancarkan cahaya di luar rongga, tetapi dengan kecepatan yang jauh lebih lambat dibandingkan superradiance.
Mantan peneliti pascadoktoral JILA Asier Piñeiro Orioli, peneliti utama pada penelitian sebelumnya dengan Thompson dan juga kontributor pada dua penelitian yang baru-baru ini diterbitkan, menemukan cara sederhana untuk memahami pembentukan keadaan gelap di rongga dalam istilah yang mereka sebut potensi superluminous. .
Rey berkata: “Kita bisa membayangkan potensi superradiasi seperti roller coaster yang dilalui atom. Saat atom jatuh dari bukit, mereka memancarkan cahaya secara bersamaan, namun bisa terhenti saat mencapai lembah. Di lembah, atom membentuk kegelapan .” menyatakan dan akan berhenti memancarkan cahaya ke dalam rongga.’
Dalam penelitian mereka sebelumnya dengan Thompson, para peneliti JILA menemukan bahwa keadaan gelap setidaknya harus terjerat.
“Pertanyaan yang ingin kami jawab dalam dua karya baru ini adalah apakah keduanya bisa menjadi gelap dan sangat terjerat pada saat yang sama,” jelas penulis pertama Bhuvanesh Sundar, mantan peneliti pascadoktoral JILA. “Bagian yang menarik adalah kami tidak hanya menemukan bahwa jawabannya adalah ya, namun jenis keadaan terjepit ini relatif mudah untuk dipersiapkan.”
Menciptakan keadaan gelap yang saling terkait
Dalam studi baru, para peneliti mengidentifikasi dua cara yang mungkin untuk mempersiapkan atom dalam keadaan sangat terjerat dengan putaran terkompresi. Salah satu caranya adalah dengan menyinari atom dengan laser untuk membangkitkannya di atas keadaan dasarnya dan kemudian menempatkannya pada titik khusus pada potensi superradian, yang juga dikenal sebagai titik pelana. Di titik pelana, para peneliti membiarkan atom-atom bersantai di dalam rongga dengan mematikan laser, dan yang menarik, atom-atom tersebut membentuk kembali distribusi kebisingannya dan terkompresi dengan kuat.
“Titik pelana adalah lembah yang potensinya memiliki kelengkungan dan kemiringan nol,” jelas Rey. “Itu adalah titik-titik yang ganjil karena atom-atomnya gelap, tetapi berada di ambang ketidakstabilan, sehingga mereka cenderung membentuk ulang distribusi kebisingannya untuk dikompresi.”
Metode lain yang diusulkan melibatkan pemindahan keadaan superradian ke keadaan gelap. Di sini, tim juga menemukan titik khusus lainnya di mana atom berada dekat dengan titik “terang” khusus – bukan di lembah roller coaster, namun pada titik kelengkungan nol – di mana interaksi antara superradiasi dan laser eksternal menghasilkan putaran-tekanan. .
“Hal yang menyenangkan adalah kompresi putaran yang dihasilkan di titik terang ini dapat ditransfer ke keadaan gelap di mana, setelah penyelarasan yang tepat, kita dapat mematikan laser dan mempertahankan kompresi,” tambah Sundar.
Transfer ini bekerja dengan terlebih dahulu mendorong atom ke dalam lembah potensi superradian dan kemudian menggunakan laser dengan polarisasi (atau arah osilasi cahaya) yang sesuai untuk menyelaraskan arah kompresi secara koheren, membuat keadaan terkompresi kebal terhadap superradiance.
Pemindahan keadaan terjepit ke keadaan gelap tidak hanya mempertahankan karakteristik kebisingan yang berkurang dari keadaan terjepit, namun juga memastikan kelangsungan hidup mereka tanpa adanya eksitasi laser eksternal, yang merupakan faktor penting untuk aplikasi praktis dalam metrologi kuantum.
Sementara penelitian yang dipublikasikan di Physical Review Letters hanya menggunakan satu polarisasi sinar laser untuk menginduksi pemerasan putaran dan menghasilkan dua mode pemerasan, makalah Tinjauan Fisik A membawa simulasi ini lebih jauh dengan menggunakan kedua polarisasi sinar laser, menghasilkan empat mode pemerasan putaran. (dua mode untuk setiap polarisasi).
“Dalam dua makalah ini, kami membahas atom bertingkat dengan banyak tingkat internal,” kata Piñeiro Orioli, “dan memiliki banyak tingkat internal lebih sulit untuk disimulasikan daripada memiliki dua tingkat, yang sering dipelajari dalam literatur. Jadi kami mengembangkan seperangkat alat untuk menyelesaikan sistem bertingkat ini. Kami mengembangkan rumus untuk menghitung keterjeratan yang dihasilkan dari keadaan awal.”
Hasil penelitian ini mungkin mempunyai implikasi luas terhadap jam atom. Dengan mengatasi keterbatasan superradiance melalui pembangkitan keadaan terjerat gelap, fisikawan menyimpan keadaan terjerat menggunakan atom sebagai memori (memungkinkan pengambilan informasi dari keadaan tersebut), atau memasukkan keadaan terjerat ke dalam rangkaian jam atau interferometer untuk kuantum- pengukuran yang ditingkatkan.
Informasi lebih lanjut:
Bhuvanesh Sundar dkk, Memeras Atom Bertingkat di Keadaan Gelap melalui Cavity Superradiance, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.033601. Di arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2302.10828
Bhuvanesh Sundar dkk, Pemerasan empat mode disipatif terkontrol pada atom bertingkat dalam rongga optik, Tinjauan Fisik A (2024). DOI: 10.1103/PhysRevA.109.013713. Di arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2309.10717
Kutipan: Keadaan gelap kuantum menghasilkan keuntungan dalam pengurangan kebisingan (2024, 19 Februari) Diakses pada 21 Februari 2024, dari https://phys.org/news/2024-02-quantum-dark-states-advantage-noise.html
Dokumen ini memiliki hak cipta. Kecuali untuk tindakan bonafid apa pun untuk tujuan studi atau penelitian pribadi, tidak ada bagian yang boleh direproduksi tanpa izin tertulis. Konten disediakan untuk tujuan informasi saja.
+ There are no comments
Add yours