Studie: Jednotlivé atomy jako měřicí sondy poprvé využívají kvantové informace

Profesor Dr. Artur Widera. (Foto: Koziel/TUK)

Senzory zachycují určité parametry, jako je teplota a tlak vzduchu v jejich okolí. Kaiserslautererovi fyzici se svým kolegou z Hannoveru poprvé podařilo použít jednotlivou atom Césia jako senzoru pro ultrastudené teploty. K určení měřených hodnot využívají kvantové stavy, spin nebo také vlastní moment hybnosti atomu, nazývané. Tímto způsobem změřili teplotu ultrastudené plynu a magnetické pole. Systém se vyznačuje zvlášť vysokou citlivostí. Takové senzory by mohly být v budoucnu využívány například k bezvadnému zkoumání kvantových systémů. Práce byla publikována v prestižním odborném časopise „Physical Review X“.

Ve svých pokusech sledují vědci kolem profesora Dr. Artura Widery, který zkoumá kvantové systémy, jednotlivé atomy Césia v rtuťovém plynu, který je ochlazen na teplotu blízkou absolutní nule – teplota je zde pouze zlomkem miliardtiny stupně nad touto nulou. Ve své aktuální studii se zabývali otázkou, zda lze využít spinové stavy atomu Césia k získání informací. „Pod pojmem spin se rozumí vlastní hybnost atomu,“ říká profesor Widera z Technické univerzity Kaiserslautern (TUK). „U Césia existuje sedm různých možností tohoto spinu.“ Hlavním cílem pokusů byla teplota plynu.

Pokud je jednotlivý atom Césia vložen do rtuťového plynu, dochází ke kolizím rtuťových atomů s tímto atomem. „Při tom může docházet k výměně hybnosti mezi atomy, dokud se nenastaví rovnováha spinu,“ vysvětluje Dr. Quentin Bouton, hlavní vědecký pracovník a hlavní autor studie. Vědci měří spin jednotlivého atomu a tímto způsobem určují teplotu. Důkazem funkčnosti této metody je srovnání s běžnými měřicími metodami, kdy fyzici získají stejnou hodnotu teploty.

Výjimečností studie byla vysoká citlivost při měření. U běžného měření je senzor v kontaktu s chladným plynem a čeká se, až se ustaví rovnováha. „U kvantových senzorů vlastně existuje v rovnováze základní hranice citlivosti. My jsme však již předem zohlednili informace o interakcích mezi Césiem a rtuťovým plynem, takže jsme nemuseli čekat, až atom dosáhne rovnováhy s rtuťovým plynem,“ pokračuje Bouton. Díky tomu má měřící systém vědců z Kaiserslautern přibližně desetkrát vyšší citlivost, než jakou stanovuje základní kvantová hranice. „Potřebujeme pouze tři otáčky spinu, tedy tři atomové kolize, k dosažení výsledku,“ dodává Bouton. Tím je i narušení rtuťového plynu omezeno na pouhé tři kvanty. To představuje důležitý krok směrem k co nejméně narušujícímu měření citlivých kvantových systémů, které jsou důležité pro budoucí využití v kvantových technologiích.

„Poprvé jsme použili jednotlivý atom jako senzor, který využívá kvantové informace a je výrazně lepší než klasický senzor,“ zdůrazňuje Widera. Tento pokus vědci také provedli s magnetickými poli a zaznamenali jejich magnetické stavy. Jejich systém jako citlivý senzor je vhodný například pro téměř nepoškozující zkoumání křehkých kvantových systémů.

Kromě pracovního týmu profesora Widery se na práci podílel i profesor Dr. Eberhard Tiemann z Hannoveru. Studie byla publikována v prestižním časopise Physical Review X: „Single-Atom Quantum Probes for Ultracold Gases Boosted by Nonequilibrium Spin Dynamics“
DOI: 10.1103/PhysRevX.10.011018

Otázky zodpovídá:
Prof. Dr. Artur Widera
Lehrgebiet Individual Quantum Systems
E-mail: widera(at)physik.uni-kl.de
Tel.: 0631 205-4130