اكتشف الباحثون طريقة بسيطة ولكنها قوية لحماية الذرات من فقدان المعلومات - تحديًا رئيسيًا في تطوير تقنيات الكم الموثوقة.
من خلال تضييق شعاع ليزر واحد مضبوط بعناية على غاز من الذرات ، تمكنوا من الحفاظ على تدوير الذرات الداخلية متزامنة ، مما يقلل بشكل كبير من المعدل الذي تضيع فيه المعلومات. في أجهزة الاستشعار الكمومية وأنظمة الذاكرة ، غالبًا ما تفقد الذرات اتجاهها المغناطيسي - أو "Spin" - عندما تصطدم مع بعضها البعض أو جدران الحاوية الخاصة بهم.
هذه الظاهرة ، المعروفة باسم الاسترخاء الدوراني ، تحد بشدة من أداء واستقرار مثل هذه الأجهزة. الطرق التقليدية لمواجهةها تتطلب العمل في حقول مغناطيسية منخفضة للغاية واستخدام التدريع المغناطيسي الضخم.
الطريقة الجديدة تتجنب تلك القيود بالكامل. بدلاً من حماية النظام مغناطيسيًا ، يستخدم الضوء لتحويل مستويات الطاقة الذرية بمهارة ، ومحاذاة تدور الذرات والحفاظ عليها متزامنة ، حتى أثناء تحركها وتصادمها. هذا يخلق حالة تدور أكثر مرونة محمية بشكل طبيعي من decoherence.
في التجارب المعملية مع بخار السيسيوم الدافئ ، قللت هذه التقنية من الانحلال الدوراني بعامل 10 وحساسية مغناطيسية محسنة بشكل كبير. يوضح هذا الاختراق أن شعاعًا واحدًا من الضوء يمكن أن يمتد وقت التماسك للدوران الذري ، وفتح الباب إلى أجهزة استشعار كمية أكثر إحكاما ودقيقة وقوية ومغنطيسي وأجهزة الذاكرة.
كشف فريق من علماء الفيزيائيين من قسم الفيزياء التطبيقية في الجامعة العبرية ومركز العلوم النانوية والتكنولوجيا النانوية ، بالتعاون مع كلية الفيزياء التطبيقية والهندسية في جامعة كورنيل ، عن طريقة جديدة قوية لدرع الدونات الذرية من "الضوضاء".
الدراسة ، "الحماية البصرية للقلويات - من الاسترخاء الدوراني" ، بقلم أفراهام بيربي ، ومارك ديكوبولتسيف ، البروفيسور أوري كاتز (الجامعة العبرية) ، والأستاذ أو كاتز (جامعة كورنيل) ، تم نشره فيرسائل المراجعة البدنيةويمكن أن تحدث ثورة في الحقول التي تعتمد على الاستشعار المغناطيسي والتماسك الذري.
الذرات ذات الإلكترونات غير المقيدة - مثل تلك الموجودة في Vapor Cesium - لها خاصية "تدور" ، تتفاعل بقوة مع الحقول المغناطيسية ، وبالتالي يمكن استخدامها في نشاط الدماغ - الحساسة للحقول المغناطيسية ، وحتى نشاط الدماغ. لكن هذه الدورات هشة.
حتى أصغر اضطرابات من الذرات المحيطة أو جدران الحاويات يمكن أن تتسبب في فقدان اتجاههم ، وهي عملية تعرف باسم الاسترخاء الدوراني. حتى الآن ، فإن حماية هذه الدورات من هذا التداخل تتطلب إعدادات معقدة أو عملت فقط في ظل ظروف محددة للغاية. الطريقة الجديدة تغير ذلك.
ضوء الليزر كدرع
طور الباحثون تقنية تستخدم شعاع ليزر واحد مضبوط بدقة لمزامنة المسبقة للدورات الذرية في المجال المغناطيسي - حتى عندما تصطدم الذرات باستمرار مع بعضها البعض ومحيطها.
تخيل سيناريو حيث تقتصر المئات من قمم الغزل الصغيرة داخل صندوق. عادة ، يمكن أن تعطل التفاعلات بين هذه قمم تكوينات الدوران الخاصة بها ، مما يتسبب في سقوط النظام بأكمله خارج المزامنة. يصبح هذا التأثير أكثر مهيمنة في الحقول المغناطيسية العالية ، حيث تعمل القمم وتغيير اتجاهها بسرعة أكبر بكثير.
ومع ذلك ، تستخدم طريقة محددة الضوء للحفاظ على التزامن داخل النظام. من خلال معالجة الاختلافات في تكوينات الدوران المختلفة ، يحافظ الضوء بشكل فعال على جميع قمم الغزل في وئام ، ومنع الاضطراب وتمكين السلوك التعاوني بين كيانات الغزل ، حتى في الحقول المغناطيسية العالية. يسلط هذا النهج الضوء على التفاعل الرائع بين ديناميات الدوران الخفيف والذري.
حقق الباحثون تحسنًا تسعة - في المدة التي حافظت ذرات السيزيوم على اتجاه الدوران. بشكل ملحوظ ، تعمل هذه الحماية حتى عندما ترتد الذرات قبالة - الاسترخاء - جدران الخلايا المطلية وتجربة الاصطدامات الداخلية المتكررة.
- الإمكانات العالمية
يمكن أن تعزز هذه التقنية بشكل كبير الأجهزة التي تعتمد على الدورات الذرية ، بما في ذلك:
أجهزة الاستشعار الكمومية والمغناطيسية المستخدمة في التصوير الطبي وعلم الآثار واستكشاف الفضاء
أنظمة الملاحة الدقيقة التي لا تعتمد على GPS
منصات المعلومات الكمومية حيث يعد استقرار الدوران مفتاحًا لتخزين ومعالجة المعلومات
نظرًا لأن الطريقة تعمل في البيئات "الدافئة" ولا تتطلب تبريدًا شديدًا أو ضبطًا معقدًا للحقل ، فقد يكون ذلك أكثر عملية لتطبيقات العالم- من الأساليب الحالية.
وقال الباحثون "هذا النهج يفتح فصلًا جديدًا في حماية الأنظمة الكمومية من الضوضاء". "من خلال تسخير الحركة الطبيعية للذرات واستخدام الضوء كمثبت ، يمكننا الآن الحفاظ على التماسك عبر مجموعة أوسع من الظروف من أي وقت مضى."
يبني البحث على عقود من العمل في الفيزياء الذرية ، ولكن هذا الحل البسيط الأنيق - باستخدام الضوء لتنسيق الذرات - هو قفزة للأمام. قد يمهد الطريق للحصول على تقنيات الكم أكثر قوة ودقيقة ويمكن الوصول إليها في المستقبل القريب.
