Uudenlainen lomittuminen auttaa kvanttisensoreita vaimentamaan kohinaa

Pyrkiessään rakentamaan maailman tarkimpia kvanttisensoreita, tiedemiehet parantavat jatkuvasti niiden suorituskykyä. Mutta lopulta fyysiset rajoitukset estävät lisäparannuksia. 

”Kvanttisensoriin ei voi pakata enempää atomeja, koska jossain vaiheessa ne alkavat törmäillä ja häiritä toisiaan, mikä vaikuttaa sensorin suorituskykyyn”, sanoo Ana Maria Rey, JILA:n ja NIST:n tutkija ja fysiikan professori Coloradon yliopistossa Boulderissa.

Maailman tarkimmatkaan anturit eivät ole täysin eristettyjä, vaan ne ovat alttiita kohinalle – ympäristön hienovaraisille häiriöille, kuten tärinälle, sähkömagneettisille kentille tai lämpötilan muutoksille.

Niinpä Rey kysyi yhdessä JILA-tutkijan James K. Thompsonin ja Niels Bohr -instituutin, Joint Quantum -instituutin ja Indian Institute of Technology Madrasin kollegoiden kanssa: kuinka voimme parantaa seuraavan sukupolven antureita näistä rajoituksista huolimatta?

Yksi lupaava idea on käyttää kvanttilomittumista, jossa atomit ovat yhteydessä toisiinsa ja toimivat yhtenä järjestelmänä. Periaatteessa tämä mahdollistaa tarkemmat mittaukset. Mutta lomittuneet atomit ovat edelleen alttiita kohinalle.

”Lomittuneiden tilojen käyttö yksittäisen parametrin arvioinnissa tunnetaan hyvin, mutta tavoitteemme oli luoda lomittunut tila, joka on erittäin herkkä anturiverkon kahden solmun välisille parametrieroille”, sanoo Raphael Kaubruegger, tutkimusassistentti JILA:ssa.

Tutkijat pyrkivät tunnistamaan uudenlaisen lomittuneiden tilojen luokan, joka kykenisi suodattamaan pois molempiin antureihin vaikuttavan kohinan.

Sellainen löytyi tiivistyneen aineen fysiikassa tunnetusta Lieb-Mattisin tilasta, joka kuvaa antiferromagneetin kvanttiversiota, jossa kaksi atomiryhmää toimivat ikään kuin ne osoittavat vastakkaisiin suuntiin, mutta ilman, että järjestelmä valitsee yhtä kiinteää suuntaa avaruudessa.

Yksi menetelmä, jonka tiimi kehitti halutun tilan valmistamiseksi, on kahden anturiverkon solmun lomittuminen toisiinsa suunnittelemalla "spinvaihto", jossa atomit lähettävät fotoneja edestakaisin optisen ontelon läpi. Tämä johtaa tilaan, jossa jokainen atomi yhdessä solmussa on täydellisesti antikorreloitunut toisen solmun atomin kanssa. Jos yksi atomi on "ylhäällä", toinen atomi on "alhaalla". 

Tutkijoiden tulokset luovat käytännöllisen ja vankan polun skaalautuvaan kvanttitehostettuun differentiaalivaiheantureihin tarkkuusmetrologian alustoilla, kuten optisissa kelloissa ja atomiinterferometreissä.

Tekemällä kvanttisensoreista tarkempia nämä lomittuneet tilat voisivat jonain päivänä auttaa navigointia, kun GPS ei ole käytettävissä, tai paljastaa piilotettuja maanalaisia resursseja, kuten mineraaleja, öljyä tai kaasua. 

Aiheesta aiemmin:

Lomittumisen kautta hajautettu kvanttianturi

Kohdata kohina puolivälissä