Vědci objevili jednoduchý, ale silný způsob, jak chránit atomy před ztrátou informací - Klíčovou výzvou při vývoji spolehlivých kvantových technologií.
Tím, že zářili jediný, pečlivě vyladěný laserový paprsek na plynu atomů, se jim podařilo udržet vnitřní otočení atomů synchronizované, což dramaticky snížilo rychlost, při které se informace ztratí. V kvantovém senzoru a paměťových systémech atomy často ztrácejí magnetickou orientaci - nebo "Spin" -, když se navzájem srazí nebo se stěnami jejich kontejneru.
Tento jev, známý jako Spin Relaxation, vážně omezuje výkon a stabilitu takových zařízení. Tradiční metody, jak proti němu působit, vyžadovaly provoz v extrémně nízkých magnetických polích a pomocí objemného magnetického stínění.
Nová metoda tato omezení zcela podrobí. Namísto magnetického stínění systému používá světlo k jemně posunu hladin atomové energie, zarovnání otočení atomů a jejich udržování synchronizace, i když se pohybují a srážkou. To vytváří odolnější roztočení, který je přirozeně chráněn před decoherence.
V laboratorních experimentech s teplou párou cesia snížila technika rozpadu rozpadu faktorem 10 a významně zlepšila magnetickou citlivost. Tento průlom ukazuje, že jediný paprsek světla může prodloužit dobu koherence atomových otočení a otevřít dveře kompaktnějším, přesnějším a robustnějším kvantovým senzorům, magnetometrům a paměťovým zařízením.
A team of physicists from the Hebrew University's Department of Applied Physics and Center for Nanoscience and Nanotechnology, in collaboration with the School of Applied and Engineering Physics at Cornell University, has unveiled a powerful new method to shield atomic spins from environmental "noise"-a major step toward improving the precision and durability of technologies like quantum sensors and navigation systems.
Studie „Optická ochrana Alkali - kovových atomů z relaxace,“ od Avraham Berrebi, Mark Dikopoltsev, Prof. Ori Katz (hebrejská univerzita) a prof. Nebo Katz (Cornell University),Fyzikální kontrolní dopisya mohou potenciálně revoluci v polích, která závisí na magnetickém snímání a atomové koherenci.
Atomy s nepárovými elektrony -, jako jsou atoma v cesium vapor -, mají vlastnost "Spin", silně interagují s magnetickými polími a lze je proto použít pro ultra - citlivá měření magnetických polí, gravitace a dokonce mozkové aktivity. Ale tyto otočení jsou notoricky křehké.
Dokonce i nejmenší narušení okolních atomů nebo stěn nádoby může způsobit, že ztratí svou orientaci, což je proces známý jako relaxace. Až dosud byla ochrana těchto otočení před takovým rušením vyžadována komplikovaná nastavení nebo fungovala pouze za velmi specifických podmínek. Nová metoda to mění.
Laserové světlo jako štít
Vědci vyvinuli techniku, která používá jediný, přesně vyladěný laserový paprsek k synchronizaci precese atomových otočení v magnetickém poli -, i když se atomy neustále srazí mezi sebou a jejich okolí.
Představte si scénář, kdy jsou stovky malých točitelských vrcholů omezeny v krabici. Interakce mezi těmito vrcholy obvykle mohou narušit jejich konfigurace roztočení, což způsobí, že celý systém vypadne ze synchronizace. Tento účinek se stává mnohem dominantní ve vysokých magnetických polích, protože vrcholy zpracovávají a mění jejich orientaci mnohem rychleji.
Specifická metoda však využívá světlo k udržení synchronizace v systému. Tím, že se světlo zabývá rozdíly v různých konfiguracích spinu, světlo účinně udržuje všechny vrcholy v harmonii, prevenci poruchy a umožňuje kooperativní chování mezi rotujícími entitami, a to i na vysokých magnetických polích. Tento přístup zdůrazňuje fascinující souhru mezi dynamikou světla a atomové spiny.
Vědci dosáhli devíti - Fold zlepšení, jak dlouho atomy cesia udržovaly jejich orientaci rotace. Je pozoruhodné, že tato ochrana funguje, i když atomy odrážejí speciální anti - relaxace - potažené buněčné stěny a zažívají časté vnitřní kolize.
Real - Světový potenciál
Tato technika by mohla výrazně zlepšit zařízení, která se spoléhají na atomové otočení, včetně:
Kvantové senzory a magnetometry používané při lékařském zobrazování, archeologii a průzkumu prostoru
Přesné navigační systémy, které se nespoléhají na GPS
Klíčové informační platformy kvantových informací, kde je stabilita rotace klíčem k ukládání a zpracování informací
Protože metoda funguje v „teplém“ prostředí a nevyžaduje extrémní chlazení nebo komplikované ladění pole, může být praktičtější pro skutečné světové aplikace - než stávající přístupy.
„Tento přístup otevírá novou kapitolu při ochraně kvantových systémů před šumem,“ uvedli vědci. "Využitím přirozeného pohybu atomů a použitím světla jako stabilizátoru můžeme nyní zachovat koherenci v širším rozsahu podmínek než kdy předtím."
Výzkum staví na desetiletích práce v atomové fyzice, ale toto jednoduché, elegantní řešení - pomocí světla pro koordinaci atomů - je skokem vpřed. V blízké budoucnosti může připravit cestu pro robustnější, přesnější a přístupnější kvantové technologie.
