Tanulmány: Egyetlen atom mint mérőeszköz elsőként használ kvantuminformációkat

Professzor Dr. Artur Widera. (Kép: Koziel/TUK)

A szenzorok bizonyos paramétereket, például hőmérsékletet és légnyomást mérnek a környezetükben. A Kaiserslautern-i fizikusoknak egy kollégájukkal Hannoverből elsőként sikerült egy egyedi césium-atomot ultranagy hideg hőmérsékletek mérésére használni. A mérési adatokat a kvantumállapotok, a spin vagy az atom saját forgási impulzusa, más néven Eigen-Drehimpuls, segítségével határozzák meg. Ezzel mérték meg egy ultranagy hideg gáz hőmérsékletét és a mágneses mezőt. A rendszer különösen nagy érzékenységéről ismert. Ilyen szenzorokat a jövőben például kvantumrendszerek zavartalan vizsgálatára lehetne alkalmazni. A munka a rangos „Physical Review X” szakfolyóiratban jelent meg.

A kísérleteik során a kutatók, Artur Widera professzor vezetésével, aki kvantumrendszereket kutat, egyedülálló césium-atomokat figyeltek meg egy rubidium-gázban, amelyet közel a abszolút nulla fokhoz hűtöttek – itt a hőmérséklet csak egy milliárdod része a nullának. Legújabb tanulmányukban azt vizsgálták, hogy a césium-atom spin-állapotait fel lehet-e használni információk gyűjtésére. „A spin kifejezés az atom saját forgási impulzusát jelenti” – mondja Widera professzor a Kaiserslautern-i Műszaki Egyetemről (TUK). „A césium esetében hét különböző lehetőség van erre a spinre.” A kísérletek középpontjában a gáz hőmérséklete állt.

Amikor az egyedi césium-atomot beillesztik a rubidium-gázba, a rubidium-atomok ütköznek vele. „Ebben az esetben a forgási impulzus cserélődhet az atomok között, amíg egyensúly nem alakul ki a spinben” – magyarázza Dr. Quentin Bouton, a tanulmány első szerzője és a kutatás vezető tudósa. A kutatók mérik az egyes atom spin-állapotát, így határozzák meg a hőmérsékletet. Ez a módszer működését összehasonlítva a hagyományos mérési módszerekkel, ugyanazt az értéket mutatja.

A tanulmány különlegessége a magas érzékenység volt a mérés során. Egy tipikus mérésnél a szenzort érintik a hideg gázzal, és várnak, amíg egyensúly alakul ki. „A kvantumszenzorok esetében az egyensúlyban gyakorlatilag létezik egy alapvető érzékenységi határ. Mi azonban már előzetesen figyelembe vettük a césium és a rubidium közötti kölcsönhatásokat, így nem kellett várnunk, amíg az atom egyensúlyba kerül a rubidium-gázzal” – folytatja Bouton. Ennek eredményeként a Kaiserslautern-i kutatók mérőrendszere körülbelül tízszer érzékenyebb, mint amennyit a kvantumhatár megengedne. „Csak három spin-fordulatra, azaz három atomütközésre van szükségünk ahhoz, hogy eredményt kapjunk” – mondja Bouton. Így a rubidium-gáz zavarása mindössze három kvantumra korlátozódik. Ez egy fontos lépés a lehető legzavarmentesebb érzékelés felé érzékeny kvantumrendszerek esetében, amelyek a jövő kvantumtechnológiai alkalmazásai szempontjából érdekesek.

„Első alkalommal használtunk egyetlen atomot szenzorként, amely kvantuminformációkat használ, és jóval jobb, mint egy hagyományos szenzor” – hangsúlyozza Widera. A fizikusok mágneses mezőkkel végzett kísérletet is, és felmérték a mágneses állapotokat. Rendszerük például érzékeny szenzorként alkalmas arra, hogy törékeny kvantumrendszereket szinte károsodás nélkül vizsgáljanak.

A Widera professzor munkacsoportján kívül Hannoverből Eberhard Tiemann professzor is részt vett a munkában. A tanulmány a rangos Physical Review X folyóiratban jelent meg: „Single-Atom Quantum Probes for Ultracold Gases Boosted by Nonequilibrium Spin Dynamics”
DOI: 10.1103/PhysRevX.10.011018

Kérdésekre válaszol:
Prof. Dr. Artur Widera
Egyéni kvantumrendszerek tanszék
E-mail: widera(at)physik.uni-kl.de
Telefon: 0631 205-4130