Raziskovalci so odkrili preprost, a močan način za zaščito atomov pred izgubo informacij - ključni izziv pri razvoju zanesljivih kvantnih tehnologij.
Z sijajem enega samega, skrbno uglašenega laserskega žarka na plin atomov jim je uspelo ohraniti sinhronizirane notranje vrtine atomov, kar dramatično zmanjša hitrost, s katero se izgubijo informacije. V kvantnih senzorjih in pomnilniških sistemih atomi pogosto izgubijo svojo magnetno orientacijo - ali "spin" -, ko trčijo med seboj ali stene svoje vsebnika.
Ta pojav, znan kot spin sprostitev, močno omejuje delovanje in stabilnost takšnih naprav. Tradicionalne metode za preprečevanje njega so potrebovale delovanje v izjemno nizkih magnetnih poljih in z uporabo obsežnega magnetnega zaščite.
Nova metoda v celoti prepreči te omejitve. Namesto da magnetno zaščiti sistem, uporablja svetlobo, da subtilno premika atomsko energijsko raven, poravna vrtenje atomov in jih ohranja v sinhronizaciji, tudi ko se premikajo in trčijo. To ustvarja bolj prožno vrtelno stanje, ki je naravno zaščiteno pred dekoherenco.
V laboratorijskih poskusih s toplim cezijevim hlapom je tehnika zmanjšala razpadanje vrtenja za faktor 10 in bistveno izboljšala magnetno občutljivost. Ta preboj dokazuje, da lahko en sam žarek svetlobe podaljša čas koherenčnosti atomskih vrtljajev in odpre vrata do bolj kompaktnih, natančnih in robustnih kvantnih senzorjev, magnetometrov in pomnilniških naprav.
Skupina fizikov z oddelka za uporabno fiziko in Center za nanotehnologijo univerze hebrejske univerze v sodelovanju s šolo uporabne in inženirske fizike na univerzi Cornell je razkrila močno novo metodo za zaščito atomskih vrtin iz okolja "hrupa"-, kar je večji korak k večji koraku.
Študija "Optična zaščita alkalij - kovinskih atomov iz spine sprostitve", avtorja Avraham Berrebi, Mark Dikopoltsev, prof. Ori Katz (Hebrew University) in prof. Ali Katz (univerza Cornell), je bila objavljenaFizična pregledna pismain lahko potencialno revolucionira polja, ki so odvisna od magnetnega zaznavanja in atomske skladnosti.
Atomi z neparnimi elektroni -, kot so tisti v cezijevi hlapi -, imajo lastnost "Spin", močno komunicirajo z magnetnimi polji in jih je mogoče uporabiti za ultra - občutljive meritve magnetnih polj, gravitacije in celo možganov. Toda ti vrtljaji so zelo krhki.
Tudi najtanjša motnja okoliških atomov ali kontejnerskih sten lahko povzroči, da izgubijo svojo orientacijo, postopek, znan kot spin sprostitev. Do zdaj je zaščita teh vrtljajev pred takšnimi motnjami zahtevala zapletene nastavitve ali delovala le pod zelo specifičnimi pogoji. Nova metoda to spremeni.
Laserska svetloba kot ščit
Raziskovalci so razvili tehniko, ki uporablja en sam, natančno uglašen laserski žarek za sinhronizacijo precesije atomskih vrtljajev v magnetnem polju -, tudi ko se atomi nenehno trkajo med seboj in okolico.
Predstavljajte si scenarij, v katerem je na stotine drobnih vrhov omejenih znotraj škatle. Običajno lahko interakcije med temi vrhovi motijo njihove konfiguracije spin, zaradi česar celoten sistem izpade iz sinhronizacije. Ta učinek postane veliko bolj prevladujoč na visokih magnetnih poljih, saj vrhovi obdelujejo in veliko hitreje spreminjajo svojo orientacijo.
Vendar posebna metoda uporablja svetlobo za ohranjanje sinhronizacije znotraj sistema. Z reševanjem razlik v različnih konfiguracijah spin svetloba učinkovito ohranja vse vrhove, ki se vrtijo v harmoniji, preprečuje motnjo in omogočajo sodelovanje med predenjajočimi entitetami, tudi pri visokih magnetnih poljih. Ta pristop poudarja fascinantno medsebojno delovanje med svetlobno in atomsko dinamiko spin.
Raziskovalci so dosegli devet - izboljšanja, kako dolgo cezijevi atomi so ohranili svojo vrtoglavo orientacijo. Presenetljivo je, da ta zaščita deluje tudi, ko atomi odbijajo posebno proti - sprostitev - obložene celične stene in doživljajo pogoste notranje trke.
Real - svetovni potencial
Ta tehnika bi lahko znatno izboljšala naprave, ki se zanašajo na atomske vrtenja, vključno z:
Kvantni senzorji in magnetometri, ki se uporabljajo pri slikanju, arheologiji in raziskovanju vesolja
Natančni navigacijski sistemi, ki se ne zanašajo na GPS
Kvantne informacijske platforme, kjer je stabilnost vrtenja ključna za shranjevanje in obdelavo informacij
Ker metoda deluje v "toplih" okoljih in ne potrebuje ekstremnega hlajenja ali zapletene nastavitve polja, bi lahko bila bolj praktična za resnične - svetovne aplikacije kot obstoječi pristopi.
"Ta pristop odpira novo poglavje za zaščito kvantnih sistemov pred hrupom," so povedali raziskovalci. "Z izkoriščanjem naravnega gibanja atomov in uporabo svetlobe kot stabilizatorja lahko zdaj ohranimo skladnost v širšem razponu pogojev kot kdaj koli prej."
Raziskava temelji na desetletjih dela v atomski fiziki, toda ta preprosta, elegantna rešitev - z uporabo svetlobe za koordinacijo atomov - je skok naprej. V bližnji prihodnosti bo morda utiral pot močnejšim, natančnim in dostopnim kvantnim tehnologijam.
