エンタングルメント強化センシングが高度な量子センサーへの道を開く

インスブルック大学より2023年8月30日

インスブルックの物理学者は、鎖内のすべての粒子を互いに絡ませ、いわゆるスクイーズド量子状態を生成しました。 クレジット: Steven Burrows と Rey Group/JILA

世界中の計量機関は、原子の自然振動に基づく原子時計を使用して、私たちの時間を管理しています。 これらのクロックは、衛星ナビゲーションやデータ転送などのアプリケーションにとって極めて重要であり、最近、光原子時計のより高い発振周波数を使用することによって改良されてきました。

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"}]">光原子時計の機能に不可欠な測定精度。

量子システムの観測には、常に特定の統計的不確実性が伴います。 「これは量子の世界の性質によるものです」とクリスチャン・ルース氏のチームのヨハネス・フランケ氏は説明する。 「もつれはこうしたエラーを減らすのに役立ちます。」

米国ボルダーにある JILA の理論家アナ マリア レイの支援を受けて、インスブルックの物理学者たちは、実験室で絡み合った粒子の集合体の測定精度をテストしました。 研究者らはレーザーを使用して、真空チャンバー内に並べられたイオンの相互作用を調整し、それらを絡ませた。

「隣接する粒子間の相互作用は、粒子間の距離が離れるにつれて減少します。 したがって、スピン交換相互作用を使用して、システムがより集合的に動作できるようにしました」とインスブルック大学理論物理学科のラファエル・カウブリュッガー氏は説明します。

したがって、鎖内のすべての粒子が互いに絡み合い、いわゆるスクイーズド量子状態が生成されました。 これを使用して、物理学者は、個々の粒子に関連して 51 個のイオンを絡ませることで測定誤差をほぼ半分にできることを示すことができました。 以前は、もつれ強化センシングは主に無限相互作用に依存しており、その適用可能性は特定の量子プラットフォームに限定されていました。

インスブルックの量子物理学者たちは、実験により、量子のもつれによりセンサーの感度がさらに高まることを実証しました。 「実験では、原子時計にも使われている光学遷移を使用しました」とクリスチャン・ルース氏は言います。 この技術は、衛星ベースのナビゲーションやデータ転送など、原子時計が現在使用されている分野を改善できる可能性があります。 さらに、これらの高度な時計は、暗黒物質の探索や基本定数の時間変化の決定などの研究において新たな可能性を開く可能性があります。

Christian Roos と彼のチームは現在、2 次元イオン集合体で新しい方法をテストしたいと考えています。 現在の結果は Nature 誌に掲載されました。 同じ号で、研究者らは中性原子を使用した非常に似た結果を発表しました。 インスブルックでの研究は、オーストリア科学基金FWFやオーストリア産業連盟チロルなどから財政的に支援された。

参考文献: 「有限範囲相互作用による光学遷移の量子強化センシング」、Johannes Franke、Sean R. Muleady、Raphael Kaubruegger、Florian Kranzl、Rainer Blatt、Ana Maria Rey、Manoj K. Joshi、Christian F. Roos 著、8 月 30 日2023、Nature.DOI: 10.1038/s41586-023-06472-z