Квантовая запутанность позволила повысить точность измерений

Три облака атомов со спинами (синие), запутанными друг с другом на расстоянии, позволяют измерить пространственное изменение электромагнитного поля. Автор: Энрике Саагун, Scixel / Базельский университет, факультет физики

Исследователи из Базельского университета и Лаборатории Кастлера-Броссселя продемонстрировали, как квантовая запутанность может быть использована для одновременного измерения нескольких физических параметров с повышенной точностью.

Экспериментальная демонстрация этого эффекта, также известного как парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена, была удостоена Нобелевской премии по физике 2022 года.

Теперь команда под руководством профессора Филиппа Тройтлина из Базельского университета и профессора Алисы Синатры из Лаборатории Кастлера-Броссселя в Париже показала, что запутанность пространственно разделённых квантовых объектов также позволяет одновременно измерять несколько физических параметров с повышенной точностью. Результаты опубликованы в журнале Science.

«Квантовая метрология, использующая квантовые эффекты для улучшения измерений физических величин, уже является устоявшейся областью исследований», — говорит Тройтлин.

Пятнадцать лет назад он и его коллеги были одними из первых, кто провёл эксперименты, в которых спины сверххолодных атомов были запутаны друг с другом. Эта запутанность позволила им измерить направление спинов атомов (которые можно представить как крошечные стрелки компаса) точнее, чем это было бы возможно с независимыми спинами без запутанности.

«Однако все эти атомы находились в одном и том же месте, — объясняет Тройтлин. — Мы расширили эту концепцию, распределив атомы по трём пространственно разделённым облакам. В результате эффекты запутанности действуют на расстоянии, как в парадоксе ЭПР».

Идея заключается в том, что для измерения, например, пространственного распределения электромагнитного поля можно использовать запутанное состояние пространственно разделённых атомных спинов. Подобно измерению в одной точке, запутанность может уменьшить погрешности измерений, обусловленные квантовой механикой, и в значительной степени компенсировать другие помехи, одинаково воздействующие на все спины.

«До сих пор никто не проводил таких квантовых измерений с пространственно разделёнными запутанными атомными облаками, и теоретическая основа для таких измерений также была неясна», — говорит Ифань Ли, участвовавший в эксперименте в качестве постдока в группе Тройтлина.

Вместе с коллегами из LKB команда исследовала, как можно минимизировать погрешность измерения пространственного распределения электромагнитного поля с помощью таких запутанных облаков. Для этого они сначала запутали спины атомов в одном облаке, а затем разделили облако на три запутанные части. С помощью всего нескольких измерений им удалось определить распределение поля с заметно большей точностью, чем можно было бы ожидать без пространственной запутанности.

«Наши протоколы измерений можно напрямую применять в существующих прецизионных приборах, таких как оптические решёточные часы», — говорит аспирант базельской группы Лекс Йоостен. В таких часах атомы удерживаются в оптической решётке, созданной лазерными лучами, и используются в качестве чрезвычайно точного «часового механизма». Методы базельских исследователей могут помочь уменьшить специфические погрешности измерений, возникающие из-за распределения атомов по решётке, тем самым повысив точность измерения времени.

Другим примером практического применения являются атомные интерферометры, которые можно использовать для измерения гравитационного ускорения Земли. Для некоторых применений этих приборов, известных как гравиметры, основным интересующим параметром является пространственное изменение силы тяжести, которое теперь можно измерять с более высокой точностью с помощью подхода с запутанностью.