Physiker des Massachusetts Institute of Technology haben eine Methode zur Manipulation von Quanten entwickelt
In einer in Nature Physics veröffentlichten StudieDie Wissenschaftler untersuchten 400 ultrakalte Ytterbiumatome, eine von zwei Arten von Atomen, die in modernen Atomuhren verwendet werden. Sie kühlten die Atome knapp über den absoluten Nullpunkt. Bei dieser Temperatur verschwinden die meisten klassischen Effekte wie Wärme, und das Verhalten von Atomen wird ausschließlich durch Quanteneffekte bestimmt.
Installationskammer mit ultrakalten Ytterbiumatomen. Foto: Simone Colombo, MIT
Wissenschaftler verwendeten ein System von Lasern, um es einzufangenAtome und sendete dann "verwirrendes" Licht mit einem bläulichen Farbton aus, das die Atome in einem korrelierten Zustand oszillieren ließ. Sie erlaubten den verschränkten Atomen, sich zeitlich vorwärts zu entwickeln, und setzten sie dann einem kleinen Magnetfeld aus. Es führte eine kleine Quantenänderung ein, die die kollektiven Schwingungen der Atome leicht verschob.
Eine solche Verschiebung wäre unmöglich zu erkennenunter Verwendung vorhandener Messinstrumente, stellen die Forscher fest. Stattdessen nutzten die Physiker die Zeitumkehr, um dieses Quantensignal zu verstärken. Dazu sendeten sie einen weiteren Laserstrahl mit einem roten Farbton aus, der die Atome dazu anregte, sich zu entwirren, als würden sie sich in der Zeit rückwärts entwickeln.
Eine Lasermaschine zum Verschränken und Entflechten von Atomen. Foto: Simone Colombo, MIT
Das Team führte dieses Experiment tausende Male durchWolken aus 50 bis 400 Atomen, wobei jedes Mal eine Zunahme des Quantensignals beobachtet wurde. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass ihr verschränktes System 15-mal empfindlicher ist als ähnliche nicht verschränkte Atomsysteme.
Jede Art von Atom schwingt mit einer konstanten Frequenz,das, wenn es richtig gemessen wird, als sehr genaues Pendel dienen kann, erklären die Autoren. Aber auf der Skala eines Atoms treten die Gesetze der Quantenmechanik in Kraft, und die Schwingungen des Atoms ändern sich. Erst nachdem viele Messungen an einem Atom durchgeführt wurden, erhalten Wissenschaftler eine Schätzung seiner tatsächlichen Schwingungen.
Zum Beispiel in modernen Atomuhren der Physikmessen wiederholt die Schwingungen tausender ultrakalter Atome, um ihre Chancen zu erhöhen, genaue Daten zu erhalten. Durch die erhöhte Empfindlichkeit eines quantenverschränkten Systems ist es möglich, die Anzahl der Messungen zu reduzieren und die Genauigkeit von Atomuhren und verschiedenen Sensoren auf Basis von Atomschwingungen zu verbessern.
Titelbild: MIT
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