Embora os relógios atómicos já sejam os dispositivos de cronometragem mais precisos do universo, os físicos estão a trabalhar arduamente para melhorar ainda mais a sua precisão. Uma maneira é aproveitar os estados comprimidos por spin nos átomos do relógio.



Estados spin-comprimidos são estados emaranhados nos quais as partículas do sistema conspiram para cancelar seu ruído quântico intrínseco. Esses estados, portanto, oferecem grandes oportunidades para a metrologia quântica aprimorada, uma vez que permitem medições mais precisas. No entanto, os estados de spin comprimido nas transições ópticas desejadas com pouco ruído externo têm sido difíceis de preparar e manter.

Uma maneira específica de gerar um estado de spin comprimido, ou compressão, é colocar os átomos do relógio em uma cavidade óptica, um conjunto de espelhos onde a luz pode saltar para frente e para trás muitas vezes. Na cavidade, os átomos podem sincronizar as suas emissões de fotões e emitir uma explosão de luz muito mais brilhante do que qualquer átomo sozinho, um fenómeno conhecido como superradiância. Dependendo de como a superradiância é usada, ela pode levar ao emaranhamento ou, alternativamente, pode perturbar o estado quântico desejado.

Num estudo anterior, realizado em colaboração entre os bolsistas da JILA e do NIST, Ana Maria Rey e James Thompson, os investigadores descobriram que os átomos multiníveis (com mais de dois estados de energia internos) oferecem oportunidades únicas para aproveitar a emissão superradiante, induzindo os átomos a cancelam as emissões uns dos outros e permanecem escuros.

Agora, relatado em dois novos artigos publicados na Physical Review Letters e Revisão Física A , Rey e sua equipe descobriram um método não apenas para criar estados escuros em uma cavidade, mas, mais importante, fazer com que esses estados girem comprimidos. Suas descobertas poderiam abrir oportunidades notáveis ​​para a geração de relógios emaranhados, o que poderia ampliar a fronteira da metrologia quântica de uma forma fascinante.

Entrando em um estado escuro em uma montanha-russa superradiante

Durante vários anos, Rey e a sua equipa estudaram a possibilidade de aproveitar a superradiância formando estados escuros dentro de uma cavidade. Como os estados escuros são configurações únicas onde os caminhos usuais de emissão de luz interferem destrutivamente, esses estados não emitem luz. Rey e sua equipe mostraram que estados escuros poderiam ser realizados quando átomos preparados em certos estados iniciais fossem colocados dentro de uma cavidade.

Preparados desta forma, os estados quânticos poderiam permanecer imunes aos efeitos da superradiância ou da emissão de luz na cavidade. Os átomos ainda podem emitir luz fora da cavidade, mas a um ritmo muito mais lento do que a superradiância.

O ex-pesquisador de pós-doutorado do JILA Asier Piñeiro Orioli, pesquisador principal do estudo anterior com Thompson, e também colaborador dos dois estudos publicados recentemente, encontrou uma maneira simples de compreender o surgimento de um estado escuro em uma cavidade em termos do que eles chamaram um potencial superradiante.

Rey diz:"Podemos imaginar o potencial superradiante como uma montanha-russa onde os átomos andam. À medida que caem colina abaixo, eles emitem luz coletivamente, mas podem ficar presos quando chegam a um vale. Nos vales, os átomos formam o escuro estados e parar de emitir luz na cavidade."

No seu trabalho anterior com Thompson, os investigadores do JILA descobriram que os estados escuros devem estar pelo menos um pouco emaranhados.

“A questão que pretendemos abordar nos dois novos trabalhos é se eles podem ser escuros e altamente emaranhados”, explica o primeiro autor Bhuvanesh Sundar, ex-pesquisador de pós-doutorado do JILA. "A parte emocionante é que não só descobrimos que a resposta é sim, mas que estes tipos de Estados pressionados são bastante simples de preparar."

Criando estados escuros altamente emaranhados

Nos novos estudos, os pesquisadores descobriram duas maneiras possíveis de preparar os átomos em estados altamente emaranhados de spin comprimido. Uma maneira era iluminar os átomos com um laser para energizá-los acima de seu estado fundamental e, em seguida, colocá-los em pontos especiais no potencial superradiante, também conhecidos como pontos de sela. Nos pontos de sela, os investigadores deixaram os átomos relaxarem na cavidade desligando o laser e, curiosamente, os átomos remodelaram a sua distribuição de ruído e tornaram-se altamente comprimidos.

“Os pontos de sela são vales onde o potencial tem curvatura zero e inclinação zero simultaneamente”, elabora Rey. "Estes são pontos especiais porque os átomos são escuros, mas estão prestes a se tornar instáveis ​​e, portanto, tendem a remodelar a sua distribuição de ruído para se tornarem comprimidos."

O outro método proposto envolveu a transferência de estados superradiantes para estados escuros. Aqui, a equipe também encontrou outros pontos especiais onde os átomos estão próximos de pontos "brilhantes" especiais - não no vale da montanha-russa, mas em pontos com curvatura zero - onde a interação entre a superradiância e um laser externo gera compressão de spin. .

“O interessante é que a compressão do spin gerada nesses pontos brilhantes pode então ser transferida para um estado escuro onde, após o alinhamento apropriado, podemos desligar o laser e preservar a compressão”, acrescenta Sundar.

Essa transferência funciona primeiro conduzindo os átomos para um vale do potencial superradiante e depois usando lasers com polarizações apropriadas (ou direções de oscilações de luz) para alinhar coerentemente as direções comprimidas, tornando os estados comprimidos imunes à superradiância.

A transferência de estados comprimidos para estados escuros não apenas preservou as características de ruído reduzido dos estados comprimidos, mas também garantiu sua sobrevivência na ausência de acionamento por laser externo, um fator crucial para aplicações práticas em metrologia quântica.

Embora o estudo publicado em Physical Review Letters usou apenas uma polarização da luz do laser para induzir a compressão do spin, gerando dois modos comprimidos, o Physical Review A O artigo levou essa simulação ainda mais longe, usando ambas as polarizações da luz laser, resultando em quatro modos de spin comprimido (dois modos para cada polarização).

“Nesses dois artigos, consideramos átomos multiníveis com muitos níveis internos”, diz Piñeiro Orioli, “e ter muitos níveis internos é mais difícil de simular do que ter dois níveis, o que é frequentemente estudado na literatura. ferramentas para resolver esses sistemas multiníveis. Elaboramos uma fórmula para calcular o emaranhamento gerado a partir do estado inicial."

As descobertas desses estudos podem ter implicações de longo alcance para os relógios atômicos. Ao superar as limitações da superradiância por meio da geração de estados emaranhados escuros, os físicos armazenam os estados emaranhados usando os átomos como memória (permitindo a recuperação de informações desses estados) ou injetam o estado emaranhado em um relógio ou sequência de interferômetro para análise quântica. -Medições aprimoradas.

Mais informações: Bhuvanesh Sundar et al, Squeezing Multilevel Atoms in Dark States via Cavity Superradiance, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.033601. No arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2302.10828
Bhuvanesh Sundar et al, Compressão de quatro modos dissipativos acionados de átomos multiníveis em uma cavidade óptica, Revisão Física A (2024). DOI:10.1103/PhysRevA.109.013713. No arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2309.10717

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