Badanie: Pojedynczy atom jako sondy pomiarowej po raz pierwszy wykorzystuje informacje kwantowe

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

Sensory rejestrują określone parametry, takie jak temperatura i ciśnienie powietrza w ich otoczeniu. Fizyk z Kaiserslautern, wraz z kolegą z Hanoweru, po raz pierwszy udało się użyć pojedynczego atomu Cezju jako czujnika do pomiaru ultraniskich temperatur. Aby uzyskać dane pomiarowe, korzystają ze stanów kwantowych, spinu lub też zwanego własnego momentu pędu atomu. Dzięki temu zmierzyli temperaturę ultrazimnego gazu oraz pole magnetyczne. System charakteryzuje się szczególnie wysoką czułością. Takie sensory mogłyby w przyszłości służyć na przykład do bezzakłóceniowego badania systemów kwantowych. Praca została opublikowana w renomowanym czasopiśmie naukowym „Physical Review X”.

Podczas swoich eksperymentów naukowcy z zespołu profesora dr. Artura Widery, badającego systemy kwantowe, obserwują pojedyncze atomy Cezju w gazie rubidu, który został schłodzony do temperatury bliskiej zeru absolutnemu – temperatura jest tu tylko ułamek miliarda stopnia powyżej tego zera. W ich najnowszym badaniu zajęli się pytaniem, czy można wykorzystać stany spinu atomu Cezju do pozyskiwania informacji. „Przez spin rozumie się własny moment pędu atomu”, mówi profesor Widera z Technische Universität Kaiserslautern (TUK). „W przypadku Cezju istnieje siedem różnych możliwości tego spinu.” W centrum ich eksperymentów była temperatura gazu.

Gdy pojedynczy atom Cezju zostanie wprowadzony do gazu rubidu, atomy rubidu zderzają się z nim. „Podczas tego procesu może dochodzić do wymiany momentu pędu między atomami, aż do osiągnięcia równowagi spinów”, wyjaśnia dr Quentin Bouton, główny naukowiec i pierwszy autor badania. Naukowcy mierzą spin pojedynczego atomu i w ten sposób mogą określić temperaturę. Potwierdzeniem skuteczności tej metody jest porównanie z tradycyjnymi metodami pomiaru, które dają ten sam wynik temperatury.

Co wyróżniało to badanie, to wysoka czułość pomiaru. Przy typowym pomiarze czujnik jest stykany z zimnym gazem i czeka, aż osiągnie się równowagę. „Dla kwantowych czujników w zasadzie istnieje fundamentalna granica czułości w stanie równowagi. Jednak już wcześniej uwzględniliśmy informacje o oddziaływaniach między Cezjem a rubidem, więc nie musieliśmy czekać, aż atom osiągnie równowagę z gazem rubidu”, kontynuuje Bouton. W ten sposób system pomiarowy naukowców z Kaiserslautern ma około dziesięciokrotnie wyższą czułość niż wymaga to fundamentalna granica kwantowa. „Potrzebujemy tylko trzech obrotów spinu, czyli trzech kolizji atomowych, aby uzyskać wynik”, dodaje Bouton. Tym samym zakłócenia gazu rubidu są ograniczone do zaledwie trzech kwantów. To ważny krok w kierunku możliwie jak najmniej zakłócającego pomiaru wrażliwych systemów kwantowych, które mogą mieć przyszłe zastosowania w technologii kwantowej.

„Po raz pierwszy użyliśmy pojedynczego atomu jako czujnika, który korzysta z informacji kwantowych i jest znacznie lepszy od klasycznego czujnika”, podkreśla Widera. Naukowcy przeprowadzili również eksperyment z polami magnetycznymi i zarejestrowali stany magnetyczne. Ich system jako czuły czujnik nadaje się na przykład do niemal bezinwazyjnego badania delikatnych systemów kwantowych.

Oprócz grupy badawczej profesora Widery, w pracę zaangażowany był profesor dr. Eberhard Tiemann z Hanoweru. Badanie ukazało się w renomowanym czasopiśmie naukowym Physical Review X: „Single-Atom Quantum Probes for Ultracold Gases Boosted by Nonequilibrium Spin Dynamics”
DOI: 10.1103/PhysRevX.10.011018

Odpowiedzi na pytania:
Prof. Dr. Artur Widera
Przedmiot nauczania: Indywidualne systemy kwantowe
E-mail: widera(at)physik.uni-kl.de
Tel.: 0631 205-4130