Foto pengaturan jam atom lengkap dengan rongga yang membelah dua. Kredit
Grup JILA/Kamu
Terobosan JILA dalam jam atom optik menggunakan keterikatan kuantum untuk melampaui batas presisi mendasar, menetapkan standar baru dalam ketepatan waktu dan membuka jalan bagi penemuan ilmiah.
Secara historis, JILA (lembaga gabungan yang didirikan oleh Institut Nasional Standar dan Teknologi (NIST) dan Universitas Colorado Boulder) telah menjadi pemimpin dunia dalam ketepatan waktu dengan menggunakan jam atom optik. Jam ini memanfaatkan sifat intrinsik atom untuk mengukur waktu dengan presisi dan tak tertandingi ketepatanmewakili lompatan signifikan dalam upaya kami mengukur dimensi yang paling sulit dipahami: waktu.
Namun, keakuratan jam-jam ini memiliki batasan mendasar, termasuk “kebisingan dasar”, yang dipengaruhi oleh “kebisingan proyeksi kuantum” (QPN). “Ini berasal dari statistik spin masing-masing qubit, sifat kuantum atom yang sebenarnya sedang diselidiki,” jelas mahasiswa pascasarjana JILA, Maya Miklos. Perbandingan jam yang canggih, seperti yang diarahkan oleh JILA dan NIST Fellow serta profesor Fisika Boulder di Universitas Colorado, Jun Ye, semakin mendekati batas dasar kebisingan yang mendasar. Namun, batas ini dapat diatasi dengan menghasilkan keterikatan kuantum dalam sampel atom, sehingga meningkatkan stabilitasnya.
Kini, tim Ye, bekerja sama dengan JILA dan Rekan NIST James K. Thompson, telah menggunakan proses spesifik yang dikenal sebagai spin squeezing untuk menghasilkan keterikatan kuantum, yang menghasilkan peningkatan kinerja jam yang beroperasi pada tingkat stabilitas 10-17. Pengaturan eksperimental baru mereka, diterbitkan di Fisika Alamjuga memungkinkan para peneliti untuk secara langsung membandingkan dua ansambel spin-squeezed independen untuk memahami tingkat presisi dalam pengukuran waktu, tingkat yang belum pernah dicapai sebelumnya dengan jam kisi optik spin-squeezed.
Perkembangan jam atom optik yang disempurnakan ini mempunyai implikasi yang luas. Di luar bidang ketepatan waktu, teknologi ini juga memiliki potensi keuntungan untuk digunakan dalam berbagai eksplorasi ilmiah, termasuk menguji prinsip-prinsip fisika dasar, meningkatkan teknologi navigasi, dan mungkin berkontribusi dalam pendeteksian. gelombang gravitasi. “Meningkatkan kinerja jam optik hingga melampaui batasan mendasar yang ditetapkan oleh alam merupakan upaya ilmiah yang menarik, jelas mahasiswa pascasarjana JILA John Robinson, penulis pertama makalah tersebut. “Ketika seseorang mempertimbangkan fisika apa yang dapat Anda temukan dengan peningkatan sensitivitas, hal ini memberikan gambaran yang sangat menarik untuk masa depan.”
Jam atom optik berfungsi tidak melalui roda gigi dan pendulum tetapi melalui ritme yang diatur antara atom dan laser eksitasi.
QPN menimbulkan hambatan mendasar terhadap keakuratan jam-jam ini. Fenomena ini muncul dari ketidakpastian yang melekat pada sistem kuantum. Dalam konteks jam atom optik, QPN bermanifestasi sebagai gangguan halus namun meresap seperti kebisingan latar belakang yang dapat mengaburkan kejelasan pengukuran waktu.
“Karena setiap kali Anda mengukur keadaan kuantum, ia diproyeksikan ke tingkat energi diskrit, kebisingan yang terkait dengan pengukuran ini tampak seperti melempar sekumpulan koin dan menghitung apakah muncul sebagai kepala atau ekor,” kata Miklos. “Jadi, Anda mendapatkan skala hukum bilangan besar di mana presisi pengukuran Anda meningkat seiring dengan akar kuadrat dari N, atom nomor. Semakin banyak atom yang Anda tambahkan, semakin baik stabilitas jam Anda. Namun, ada batasannya karena, setelah kepadatan tertentu, Anda dapat mengalami pergeseran interaksi yang bergantung pada kepadatan, yang menurunkan stabilitas jam Anda.”
Ada juga batasan praktis mengenai jumlah atom yang dapat dicapai dalam satu jam. Namun, keterjeratan dapat digunakan sebagai sumber daya kuantum untuk menghindari gangguan proyeksi ini. Miklos menambahkan, “Akar kuadrat dari penskalaan N berlaku jika partikel-partikel tersebut tidak berkorelasi. Jika Anda dapat menghasilkan keterjeratan dalam sampel Anda, Anda dapat mencapai penskalaan optimal yang meningkat seiring dengan N.”
Untuk mengatasi tantangan yang ditimbulkan oleh QPN, para peneliti menggunakan teknik yang dikenal sebagai spin squeezing. Dalam proses ini, keadaan kuantum atom disesuaikan secara hati-hati. Meskipun ketidakpastian pengukuran kuantum selalu mematuhi prinsip ketidakpastian Heisenberg, putaran ini “diperas” melalui intervensi yang tepat, mengurangi ketidakpastian di satu arah dan meningkatkannya di arah lain.
Mewujudkan pemerasan putaran pada jam optik adalah pencapaian yang relatif baru, namun sumber daya yang serupa seperti cahaya yang diperas telah digunakan di bidang lain. “LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) telah menggunakan pemerasan keadaan vakum untuk meningkatkan pengukuran panjang interferometer untuk deteksi gelombang gravitasi,” jelas Yee Ming Tso, mahasiswa pascasarjana JILA.
Untuk mencapai pemerasan putaran, tim menciptakan pengaturan laboratorium baru yang terdiri dari kisi bergerak 1D vertikal yang berpotongan dengan rongga optik (resonator yang terdiri dari dua cermin) sepanjang arah horizontal. Para peneliti menggunakan sinar laser dari kisi untuk menggerakkan kumpulan atom ke atas dan ke bawah seluruh kisi seperti lift, dengan beberapa kelompok atom, atau sub-kumpulan, memasuki rongga.
Proyek ini terinspirasi oleh kolaborasi baru-baru ini antara kelompok penelitian Ye dan Rekan JILA Adam Kaufman, yang juga mengeksplorasi spin-squeezing di laboratorium lain.
“Sampai saat ini, pemerasan putaran pada jam optik hanya diterapkan dalam eksperimen pembuktian prinsip, di mana kebisingan dari laser jam mengaburkan sinyalnya,” kata Robinson. “Kami ingin mengamati dampak positif dari spin-squeezing secara langsung, jadi kami mengubah kisi optik menjadi elevator ini sehingga kami dapat memutar-squeeze secara mandiri dan membandingkan beberapa sub-ensemble dan, dengan cara ini, menghilangkan dampak negatif dari spin-squeezing. jam laser.” Pengaturan ini juga memungkinkan para peneliti untuk menunjukkan bahwa keterikatan kuantum bertahan selama pengangkutan sub-ansambel atom ini.
Dengan menggunakan rongga optik, para peneliti memanipulasi atom untuk membentuk keadaan terjerat dan berputar. Hal ini dicapai dengan mengukur sifat kolektif atom dengan cara yang disebut “quantum non-demolition” (QND). QND mengukur properti sistem kuantum sehingga pengukurannya tidak mengganggu properti tersebut. Dua pengukuran QND berulang menunjukkan derau kuantum yang sama, dan dengan mengambil perbedaannya, seseorang dapat menikmati pembatalan derau kuantum.
Dalam sistem berpasangan rongga atom, interaksi antara cahaya yang menyelidiki rongga optik dan atom yang terletak di rongga memungkinkan para peneliti untuk memproyeksikan atom ke dalam keadaan berputar dengan mengurangi dampak ketidakpastian QPN. Para peneliti kemudian menggunakan kisi mirip elevator untuk mengocok sekelompok atom independen ke dalam rongga, membentuk ansambel putaran kedua dalam peralatan eksperimen yang sama.
Inovasi utama dalam penelitian ini adalah membandingkan secara langsung dua sub-kumpulan atom. Berkat kisi vertikal, para peneliti dapat mengganti sub-kumpulan atom mana yang berada di dalam rongga, secara langsung membandingkan kinerjanya dengan mengukur waktu secara bergantian seperti yang ditunjukkan oleh setiap sub-kumpulan yang diperas dengan putaran.
“Pada awalnya, kami melakukan perbandingan jam klasik dari dua sub-ansambel atom tanpa tekanan putaran,” jelas Tso. “Kemudian kami memutar kedua sub-ensemble dan membandingkan kinerja kedua jam yang diputar. Pada akhirnya, kami menyimpulkan bahwa sepasang jam yang diperas memiliki kinerja lebih baik daripada sepasang jam klasik dalam hal stabilitas dengan peningkatan sekitar 1,9 dB (~25% peningkatan). Ini cukup bagus sebagai hasil pertama dari pengaturan eksperimental kami.”
Peningkatan stabilitas ini bertahan bahkan ketika kinerja jam rata-rata turun ke tingkat stabilitas frekuensi fraksional 10-17, sebuah tolok ukur baru untuk kinerja jam kisi optik yang diperas dengan putaran. “Dalam satu generasi percobaan ini, kami kira-kira telah menutup separuh kesenjangan antara stabilitas jam dengan putaran terbaik dan jam klasik terbaik untuk pengukuran presisi,” jelas Miklos, yang, bersama anggota tim lainnya, berharap dapat meningkatkan nilai ini lebih jauh lagi.
Dengan perbandingan dua ansambelnya, pengaturan eksperimental ini menandai langkah signifikan menuju pemanfaatan mekanika kuantum untuk kemajuan praktis dan teoretis, termasuk di berbagai bidang seperti navigasi hingga fisika fundamental, memungkinkan pengujian teori gravitasi, dan berkontribusi pada pencarian fisika baru. Miklos, Tso, dan anggota tim lainnya berharap bahwa pengaturan baru mereka akan memungkinkan mereka menyelami lebih dalam dasar-dasar gravitasi.
“Pengukuran pergeseran merah gravitasi yang tepat, yang baru-baru ini dilakukan di laboratorium kami, adalah sesuatu yang ingin kami pelajari lebih jauh menggunakan desain eksperimental ini,” tambah Miklos. “Mudah-mudahan ini bisa memberi tahu kita lebih banyak tentang alam semesta tempat kita tinggal.”
Referensi: “Perbandingan langsung dua ansambel jam optik yang diputar pada tingkat 10−17” oleh John M. Robinson, Maya Miklos, Yee Ming Tso, Colin J. Kennedy, Tobias Bothwell, Dhruv Kedar, James K. Thompson dan Jun Ya, 11 Januari 2024, Fisika Alam.
DOI: 10.1038/s41567-023-02310-1
Penelitian ini sebagian didanai oleh Pusat Penelitian Sains Informasi Kuantum Nasional Departemen Energi – Akselerator Sistem Kuantum, Kantor Penelitian Ilmiah Angkatan Udara, DARPABeasiswa Fakultas Vannevar Bush, Institut Standar dan Teknologi Nasional (NIST), dan National Science Foundation.
RisalahPos.com Network