Forscher am JILA, einem gemeinsamen Institut des National Institute of Standards and Technology (NIST) und der University of Colorado Boulder, haben innovative Methoden zur Verschränkung großer Atomgruppen entwickelt. Dieser Durchbruch hat das Potenzial, Quantensensoren, Atomuhren und fundamentale physikalische Tests zu revolutionieren.

Die Verschränkung ist ein entscheidendes Konzept in der Messtechnik, da Atome aufgrund ihrer Universalität außergewöhnliche Sensoren sind. Ihre quantenmechanische Natur führt jedoch zu inhärentem Rauschen bei Messungen. Das Forschungsteam am JILA suchte nach Möglichkeiten, dieses Rauschen zu überwinden, indem sie die Atome miteinander verschränkten und unerwünschte Störungen effektiv eliminieren konnten.

Durch die Verschränkung der Atome entdeckten die Forscher, dass sich die Effekte auf ein Atom auf alle anderen verschränkten Atome auswirken würden. Dieses kollektive Verhalten reduzierte das Rauschen und verbesserte die Messgenauigkeit. Darüber hinaus reduzierten die verschränkten Atome die Anzahl der erforderlichen Messungen und sparten letztendlich Zeit.

Das Team konzentrierte sich auf einen Prozess namens Spin-Komprimierung, um die Verschränkung zu erreichen. Dabei wird der Bereich der möglichen Energiezustände, die ein Atom einnehmen kann, eingeschränkt, ähnlich wie das Komprimieren eines Ballons und gleichzeitig das Mittelstück zusammenzudrücken, während sich die gegenüberliegenden Enden ausdehnen. Die Verschränkung von räumlich voneinander entfernten Atomen stellte jedoch eine größere Herausforderung dar, da die Stärke ihrer Wechselwirkungen mit zunehmender Entfernung abnimmt.

Um diese Herausforderung anzugehen, verwendeten die Forscher Laser, um Wechselwirkungen zwischen einer Linie von 51 Calciumionen zu induzieren. Diese Wechselwirkungen breiteten sich entlang der Atomlinie aus und verbanden sie miteinander. Durch den Einsatz externer Magnetfelder schufen die Forscher dynamische Verbindungen, die es den Ionen ermöglichten, im Laufe der Zeit mit verschiedenen Ionen-Gruppen zu kommunizieren. Dies beseitigte die Begrenzung der Entfernung und ermöglichte es allen Atomen, reibungslos zusammenzuarbeiten.

Das Experiment erreichte die Verschränkung der Ionen, wobei sich zunächst ein Zustand der Spin-Komprimierung bildete und sich schließlich in einen Katzenzustand verwandelte. Katzenzustände sind eine Art von Überlagerung, bei der die Atome gleichzeitig in zwei diametral entgegengesetzten Zuständen sind. Diese stark verschränkten Zustände haben das Potenzial, die Quantentechnologie voranzutreiben.

Die Arbeit der Forscher am JILA eröffnet neue Möglichkeiten für präzisere Messungen, Atomuhren und Quantensensoren. Während die wissenschaftliche Gemeinschaft weiterhin verschiedene Methoden zur Verschränkung erforscht, stellt diese Forschung einen großen Fortschritt bei der Nutzung der Verschränkung von Atomen für praktische Anwendungen dar.

Quellen:
– Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06360-6