얽힘 강화 감지로 고급 양자 센서의 길을 열다

By University of Innsbruck2023년 8월 30일

인스브루크 물리학자들은 사슬의 모든 입자를 서로 얽혀 소위 압착된 양자 상태를 생성했습니다. 출처: Steven Burrows 및 Rey Group/JILA

전 세계의 계측 기관에서는 원자의 자연 진동에 기초한 원자 시계를 사용하여 시간을 관리합니다. 위성 항법이나 데이터 전송과 같은 응용 분야에 중추적인 이 시계는 최근 광학 원자 시계의 더 높은 진동 주파수를 사용하여 개선되었습니다.

Now, scientists at the University of Innsbruck and the Institute of Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) of the Austrian Academy of Sciences led by Christian Roos show how a particular way of creating entanglement can be used to further improve the accuracyHow close the measured value conforms to the correct value." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">광학 원자 시계 기능에 필수적인 측정 정확도.

양자 시스템의 관찰에는 항상 특정 통계적 불확실성이 따릅니다. Christian Roos 팀의 Johannes Franke는 “이것은 양자 세계의 특성 때문입니다.”라고 설명합니다. "얽힘은 이러한 오류를 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다."

미국 볼더에 위치한 JILA의 이론가 Ana Maria Rey의 지원을 받아 인스브루크 물리학자들은 실험실에서 얽힌 입자 앙상블에 대한 측정 정확도를 테스트했습니다. 연구진은 진공 챔버에 정렬된 이온의 상호 작용을 조정하고 얽히게 하기 위해 레이저를 사용했습니다.

“이웃 입자 사이의 상호 작용은 입자 사이의 거리에 따라 감소합니다. 따라서 우리는 시스템이 보다 집단적으로 동작할 수 있도록 스핀-교환 상호 작용을 사용했습니다.”라고 인스브루크 대학 이론 물리학과의 Raphael Kaubrügger는 설명합니다.

따라서 사슬의 모든 입자는 서로 얽혀 소위 압착된 양자 상태를 생성했습니다. 이를 사용하여 물리학자들은 개별 입자와 관련하여 51개의 이온을 얽히게 하면 측정 오류가 대략 절반으로 줄어들 수 있음을 보여줄 수 있었습니다. 이전에는 얽힘 강화 감지가 주로 무한 상호 작용에 의존했기 때문에 특정 양자 플랫폼에만 적용이 제한되었습니다.

인스브루크 양자 물리학자들은 실험을 통해 양자 얽힘이 센서를 더욱 민감하게 만든다는 사실을 입증했습니다. “우리는 원자시계에도 사용되는 광학 전이를 실험에 사용했습니다.”라고 Christian Roos는 말합니다. 이 기술은 위성 기반 항법이나 데이터 전송 등 현재 원자시계가 사용되는 영역을 개선할 수 있습니다. 더욱이, 이러한 진보된 시계는 암흑 물질 탐색이나 기본 상수의 시간 변화 결정과 같은 연구에서 새로운 가능성을 열어줄 수 있습니다.

Christian Roos와 그의 팀은 이제 2차원 이온 앙상블에서 새로운 방법을 테스트하려고 합니다. 현재 결과는 Nature 저널에 게재되었습니다. 같은 호에서 연구자들은 중성 원자를 사용하여 매우 유사한 결과를 발표했습니다. 인스브루크에서의 연구는 오스트리아 과학 기금(FWF)과 오스트리아 산업 연맹 티롤(Tyrol) 등의 재정적 지원을 받았습니다.

참고 자료: Johannes Franke, Sean R. Muleady, Raphael Kaubruegger, Florian Kranzl, Rainer Blatt, Ana Maria Rey, Manoj K. Joshi 및 Christian F. Roos의 "유한 범위 상호 작용을 통한 광학 전이에 대한 양자 강화 감지", 8월 30일 2023, Nature.DOI: 10.1038/s41586-023-06472-z