MIT物理学家利用量子“时间逆转”来检测引力波和暗物质-煤油灯科技

MIT物理学家利用量子“时间逆转”来检测引力波和暗物质

煤油灯科技2022-07-19 09:11

原子中的量子振动包含了一个微型的信息世界。如果科学家能够准确地测量这些原子振动以及它们是如何随着时间的推移而演变的，他们就可以提高原子钟和量子传感器的精度。量子传感器是由原子组成的系统，其波动可以表明暗物质的存在、经过的引力波，甚至是新的、意想不到的现象。

通往更好量子测量的道路上的一个主要障碍是来自经典世界的噪声，它很容易压制细微的原子振动，使这些振动的任何变化都很难被探测到。

现在，麻省理工学院的物理学家已经证明，通过让粒子经历两个关键过程:量子纠缠和时间逆转，他们可以显著放大原子振动中的量子变化。

科学家们强迫那些被量子纠缠的原子在时间上向后演化一样。原子振荡的任何改变都会被放大并且很容易被监测到，这是因为研究人员基本上是将原子振荡的磁带倒转。

在发表在《自然物理学》杂志上的一篇论文中，该团队证明了这项被他们称为 SATIN（通过时间逆转进行信号放大）的技术是迄今为止开发的用于测量量子波动的最灵敏的方法。

该技术可以将当今最先进的原子钟的精度提高 15 倍，使其计时非常精确，以至于在整个宇宙时代，时钟的误差将小于 20 毫秒。该方法还可以用于进一步聚焦用于探测引力波、暗物质和其他物理现象的量子传感器。

“我们认为这是未来的范式，”主要作者、麻省理工学院莱斯特沃尔夫物理学教授Vladan Vuletic 说。“任何适用于许多原子的量子干涉都可以从这项技术中获益。”

该研究的麻省理工学院合著者包括第一作者 Simone Colombo、Edwin Pedrozo-Peñafiel、Albert Adiyatullin、Zeyang Li、Enrique Mendez 和 Chi Shu。

纠缠计时员

一种给定类型的原子以特定且恒定的频率振动，如果测量得当，它可以作为一个非常精确的钟摆，在比厨房时钟的秒数更短的时间间隔内保持时间。但在单个原子的尺度上，量子力学定律占据了主导地位，每次翻转时，原子的振荡都会像硬币的表面一样发生变化。只有通过对原子进行多次测量，科学家才能估计其实际振荡——这一限制被称为标准量子极限。

在最先进的原子钟中，物理学家多次测量数千个超冷原子的振荡，以增加他们获得精确测量的机会。尽管如此，这些系统还是有一些不确定性，它们的计时可以更精确。

2020 年，Vuletic 的研究小组表明，当前原子钟的精度可以通过原子纠缠来提高——这是一种量子现象，粒子被迫以集体、高度相关的状态表现。在这种纠缠状态下，单个原子的振荡应该转向一个共同的频率，这样精确测量所需的尝试就会少得多。

Vuletic说:“当时，我们仍然受到时钟相位读取能力的限制。”

也就是说，用于测量原子振荡的工具不够灵敏，无法读出或测量原子集体振荡的任何细微变化。

倒转符号

在他们的新研究中，研究小组没有试图提高现有读数工具的分辨率，而是试图增强振荡变化的信号，这样它们就可以被当前的工具读取。他们利用了量子力学中另一个奇怪的现象来实现这一点：时间反转。

人们认为，一个纯粹的量子系统，比如一组完全与日常的经典噪声隔离的原子，应该以一种可预测的方式在时间上向前进化，原子的相互作用(比如它们的振荡)应该由系统的“哈密顿量”精确描述——本质上是对系统总能量的数学描述。

在 1980 年，理论学家预测，如果一个系统的哈密顿量被逆转，同样的量子系统被去演化，那么这个系统就好像回到了过去。

Pedrozo-Peñafiel解释道:“在量子力学中，如果你知道哈密顿量，那么你就可以通过时间跟踪系统的行为，就像量子轨迹一样。”“如果这种演化是完全量子的，量子力学告诉你，你可以演化，或者回到初始状态。”

Colombo补充说:“这个想法是，如果你能逆转哈密顿量的符号，如果你回到过去，系统向前进化后发生的每一个微小的扰动都会被放大。”

在他们的新研究中，该团队研究了 400 个超冷镱原子，镱是当今原子钟使用的两种原子类型之一。他们将原子冷却到仅略高于绝对零的温度，在这样的温度下，大多数经典效应（如热消退）和原子的行为完全由量子效应控制。

该团队使用激光系统捕获原子，然后发出蓝色的“纠缠”光，迫使原子在相关状态下振荡。他们让纠缠的原子及时向前演化，然后将它们暴露在一个小磁场中，这会引入微小的量子变化，略微改变原子的集体振荡。