Физики смогли удержать атомы в состоянии суперпозиции 23 минуты

Метрология — наука, занимающаяся вопросами измерений, их точности и методов проведения. В квантовой метрологии спины частиц выступают инструментом для измерения магнитных полей, инерции и других физических явлений. Кроме того, они открывают возможность исследовать новую физику за пределами Стандартной модели. 

Китайские физики сосредоточились на изучении состояния «кота Шредингера» — суперпозиции, представляющей собой одновременное существование двух противоположно направленных и максимально удаленных состояний спина в одном атоме. Такое состояние атомов обладает уникальными преимуществами для проведения точных измерений в квантовых системах. 

Главным вызовом для применения состояний «кота Шредингера» в экспериментах остается поддержание достаточной продолжительности когерентности — состояния, в котором сохранены суперпозиция спинов и четкое разделение между их фазами. 

Чтобы преодолеть эту проблему, научная группа под руководством профессора Лу Чжэнтяня (Lu Zhengtian) и исследователя Ся Тяня (Xia Tian) из Университета науки и технологии Китая (USTC) использовала примерно 10 тысяч атомов изотопа иттербия-173 (¹⁷³Yb), обладающих спином (5/2). 

Ученые охладили атомы почти до абсолютного нуля и удержали их в стабильном положении с помощью лазера. В таких условиях квантовые состояния атомов можно контролировать с высокой точностью, и физики поместили каждый атом в состояние суперпозиции с двумя очень далекими спинами: +5/2 и -5/2. 

Состояние суперпозиции спинов, «кота Шредингера», демонстрирует повышенную чувствительность к магнитному полю. Кроме того, оно устойчиво к шумам, связанным со случайными изменениями интенсивности лазеров и пространственными неидеальностями решетки, в которую помещены изотопы иттербия-173. 

Обычно суперпозиция остается стабильной миллисекунды, но в этом эксперименте физикам удалось удержать состояние «кота Шредингера» более 20 минут. Для подтверждения времени когерентности проверяли чувствительность к фазовым сдвигам. Фазовый сдвиг связан с вращением спинового вектора атомов в суперпозиции. Он приводит к изменению относительной фазы между состояниями, что можно измерить с помощью техники под названием интерферометрия Рамси. 

Результаты новой научной работы подтвердили, что измерения фазы приближаются к пределу Гейзенберга. Это теоретически максимально возможная точность измерения фазы в квантовых системах, ограниченная фундаментальными законами квантовой механики. Такая точность подтверждает эффективность используемой техники и устойчивость состояния «кота Шредингера». 

Долговременное состояние суперпозиции атомов иттербия-173 открывает новые перспективы для атомной магнитометрии, квантовых вычислений и исследований физики за пределами Стандартной модели. Результаты исследования расширяют возможности метрологии и технологий, связанных с квантовыми вычислениями и сенсорами.

Статья ученых опубликована в журнале Nature Photonics.