由于原子反沖的原因，精確測量單個原子的能量狀態(tài)一直是物理學(xué)家面臨的歷史性挑戰(zhàn)。當(dāng)原子與光子相互作用時，原子會向相反的方向“反沖”，這使得精確測量原子的位置和動量變得困難。這種反沖對量子傳感有很大的影響，量子傳感可以探測參數(shù)的微小變化，例如，利用引力波的變化來確定地球的形狀，甚至探測暗物質(zhì)。

在《科學(xué)》雜志上發(fā)表的一篇新論文中，JILA和NIST研究員Ana Maria Rey和James Thompson, JILA研究員Murray Holland和他們的團(tuán)隊提出了一種克服這種原子反沖的方法，通過展示一種稱為動量交換相互作用的新型原子相互作用，原子通過交換相應(yīng)的光子來交換動量。

研究人員利用一個由鏡子組成的封閉空間，觀察到原子在密閉空間內(nèi)交換能量狀態(tài)，從而抑制了原子后坐力。這個過程產(chǎn)生了能量的集體吸收，并將反沖分散到整個粒子群中。

有了這些結(jié)果，其他研究人員可以在廣泛的實(shí)驗(yàn)中設(shè)計空腔來抑制反沖和其他外部效應(yīng)，這可以幫助物理學(xué)家更好地理解復(fù)雜系統(tǒng)或發(fā)現(xiàn)量子物理學(xué)的新方面。改進(jìn)的腔體設(shè)計還可以實(shí)現(xiàn)更精確的超導(dǎo)模擬，例如在玻色-愛因斯坦-冷凝-巴丁-庫珀-施里夫(BEC-BCS)交叉或高能物理系統(tǒng)的情況下。

首次觀察到動量交換相互作用誘導(dǎo)原子動量態(tài)之間的單軸扭轉(zhuǎn)(OAT)動力學(xué)，這是量子糾纏的一個方面。當(dāng)每個量子態(tài)被扭曲并連接到另一個粒子時，OAT就像一個糾纏不同分子的量子編織。

以前，OAT只出現(xiàn)在原子內(nèi)部狀態(tài)，但現(xiàn)在，有了這些新的結(jié)果，人們認(rèn)為由動量交換誘導(dǎo)的OAT可以幫助減少來自多個原子的量子噪聲。糾纏動量態(tài)也可以改善量子傳感器的一些物理測量，比如引力波。

利用密度光柵

在這項(xiàng)新研究中，受到湯普森和他的團(tuán)隊先前研究的啟發(fā)，研究人員檢查了量子疊加的影響，量子疊加允許光子或電子等粒子同時存在于多個量子態(tài)。

“在這個[新]項(xiàng)目中，原子都有相同的自旋標(biāo)簽;唯一的區(qū)別是每個原子都處于兩個動量態(tài)的疊加狀態(tài)，”研究生、第一作者羅成義解釋說。

研究人員發(fā)現(xiàn)，他們可以通過迫使原子交換光子及其相關(guān)能量來更好地控制原子反沖。類似于躲避球游戲，一個原子可能會“拋出”一個“躲避球”(一個光子)，并朝相反的方向反沖。這個“躲避球”可能會被第二個原子抓住，這可能會對第二個原子造成同樣的反沖。這抵消了兩個原子所經(jīng)歷的兩次反沖，并在整個空腔系統(tǒng)中平均它們。

當(dāng)兩個原子交換它們不同的光子能量時，疊加產(chǎn)生的波包(原子的波分布)形成了一個動量圖，稱為密度光柵，看起來像一個細(xì)齒梳子。

羅補(bǔ)充說:“密度光柵的形成表明[原子內(nèi)]的兩個動量態(tài)彼此是‘相干的’，這樣它們就可以[相互干擾]?！毖芯咳藛T發(fā)現(xiàn)，原子之間的光子交換導(dǎo)致兩個原子的波包結(jié)合，因此它們不再是單獨(dú)的測量。

研究人員可以通過探索密度光柵與光腔之間的相互作用來誘導(dǎo)動量交換。由于原子之間交換能量，吸收光子后產(chǎn)生的后坐力會分散到整個原子群中，而不是分散到單個粒子中。

抑制多普勒頻移

使用這種新的控制方法，研究人員發(fā)現(xiàn)他們還可以使用這種反沖阻尼系統(tǒng)來幫助減輕另一個測量問題:多普勒頻移。

多普勒頻移是經(jīng)典物理學(xué)中的一種現(xiàn)象，它解釋了為什么汽笛或火車?yán)嚷曉诮?jīng)過聽眾時音調(diào)會發(fā)生變化，或者為什么某些恒星在夜空圖像中呈現(xiàn)紅色或藍(lán)色——它是當(dāng)聲源和觀測者彼此靠近(或遠(yuǎn)離)時波的頻率發(fā)生變化。在量子物理學(xué)中，多普勒頻移描述了粒子由于相對運(yùn)動而產(chǎn)生的能量變化。

對于像羅這樣的研究人員來說，在獲得精確測量時，多普勒頻移可能是一個需要克服的挑戰(zhàn)。“當(dāng)吸收光子時，原子反沖將導(dǎo)致光子頻率的多普勒頻移，當(dāng)你談?wù)摼芄庾V學(xué)時，這是一個大問題，”他解釋說。通過模擬他們的新方法，研究人員發(fā)現(xiàn)它可以克服多普勒頻移引起的測量偏差。

糾纏動量交換

研究人員還發(fā)現(xiàn)，這些原子之間的動量交換可以用作一種量子糾纏。正如荷蘭小組的研究生約翰·威爾遜所說:“當(dāng)一個原子落下時，它的運(yùn)動使空腔頻率發(fā)生擺動。反過來，這又鼓勵其他原子集體感受到反饋機(jī)制，并推動它們通過共同的擺動將它們的運(yùn)動聯(lián)系起來?！?/p>

為了進(jìn)一步測試這種“糾纏”，研究人員在原子的動量狀態(tài)之間創(chuàng)造了更大的分離，然后誘導(dǎo)動量交換。研究人員發(fā)現(xiàn)，原子繼續(xù)表現(xiàn)得好像它們是連接在一起的。羅補(bǔ)充說:“這表明兩種動量狀態(tài)確實(shí)是相互振蕩的，就像被彈簧連接起來一樣。”

展望未來，研究人員計劃進(jìn)一步探索這種新形式的量子糾纏，希望更好地理解如何利用它來改進(jìn)各種類型的量子器件。