Microwave-field quantum metrology with inherent robustness against detection losses enabled by Rydberg interactions

Stel je voor dat je probeert naar een fluistering te luisteren in een drukke, lawaaierige kamer. Het signaal is er wel, maar de statische ruis van de omgeving en de beperkingen van je eigen gehoor maken het bijna onmogelijk om het te begrijpen. Dit is de fundamentele uitdaging waar de volgende generatie ultra-precieze meetinstrumenten voor staat. Wetenschappers bouwen apparaten die in staat zijn de zwakste elektrische en magnetische velden waar te nemen, wat alles van medische beeldvorming tot navigatie zou kunnen revolutioneren. Een grote hindernis is echter altijd geweest dat de handeling van het meten van deze delicate kwantumsignalen de signalen zelf vaak vernietigt of informatie onderweg doet verloren gaan. In de wereld van kwantumsensoren, waar deeltjes worden gebruikt om de wereld om hen heen te detecteren, kan het verliezen van zelfs een fractie van de gegevens door inefficiëntie de nauwkeurigheid van de meting ruïneren. Jarenlang suggereerde de heersende wijsheid dat je, om betere resultaten te krijgen, simpelweg betere detectoren moest bouberen of de deeltjes moest beschermen tegen de omgeving, een taak die vaak complexe, dure machines vereist.

Een team van onderzoekers in Warschau heeft nu een ander pad gedemonstreerd, een pad dat een bekende zwakte in een kracht verandert. Door een speciaal type atoom te gebruiken dat bekend staat als een Rydberg-atoom — een atoom dat is opgewekt naar een zeer hoge energietoestand waardoor het enorm groot en uiterst gevoelig wordt voor elektrische velden — hebben zij een sensor gecreëerd die inherent robuust is tegen de verliezen die dergelijke experimenten gewoonlijk teisteren. In plaats van te proberen het verlies van informatie te voorkomen, hebben ze een gecontroleerde, interne interactie tussen de atomen geïntroduceerd die effectief de ruis wegfiltert voordat de meting zelfs maar plaatsvindt. Het resultaat is een sensor die microgolfvelden kan detecteren met een gevoeligheid van 39 nanovolt per centimeter per wortel uit Hertz, een precisieniveau dat wedijvert met de beste bestaande technologieën, maar dat wordt bereikt door een slimme manipulatie van de atomen zelf in plaats van door externe perfectie.

Het experiment steunt op een wolk van ultrakoude rubidiumatomen, die zijn afgekoeld tot temperaturen net boven het absolute nulpunt en gevangen zitten in een vacuümkamer. Deze atomen zitten niet alleen maar stil; ze zijn voorbereid in een specifieke kwantumtoestand waarin ze fungeren als één enkel, collectief entiteit. De onderzoekers gebruiken licht om informatie in deze atomen op te slaan, waardoor een "spingolf" ontstaat, wat in essentie een rimpeling van excitatie is die door de wolk beweegt. Om een extern microgolfveld te meten, passen ze een puls toe die de atomen doet oscilleren tussen twee verschillende energieniveaus. De sterkte van het microgolfveld bepaalt hoe ver deze oscillatie uitslaat. In een standaardopstelling zouden de onderzoekers simpelweg aflezen hoeveel atomen in de nieuwe toestand terecht zijn gekomen. Echter, als het detectieproces imperfect is en er zelfs maar enkele atomen verloren gaan, daalt de precisie van de meting aanzienlijk.

De doorbraak in dit werk komt voort uit wat er gebeurt binnen de wolk voordat de uitlezing plaatsvindt. De onderzoekers hebben de atomen zo voorbereid dat sommigen in de ene energietoestand zijn en anderen in een andere, en hebben ze vervolgens met elkaar laten interageren. Omdat deze Rydberg-atomen zo groot zijn en zulke sterke elektrische velden hebben, beïnvloeden ze elkaar sterk over relatief lange afstanden. Deze interactie werkt als een filter. Wanneer de atomen interageren, ondergaan ze een proces dat de manier waarop de informatie wordt opgeslagen, verandert. Cruciaal is dat deze interactie ervoor zorgt dat een specifiek type fout zichtbaar en verwijderbaar wordt, terwijl het nuttige signaal behouden blijft. Het is alsof de atomen hun interne structuur zo herordenen dat de informatie die het meest waarschijnlijk verloren gaat door de detector, wordt verplaatst naar een deel van het systeem dat minder waarschijnlijk door het verlies zal worden beïnvloed.

Om dit te testen, bracht het team een microgolfveld aan en liet ze de atomen een specifieke tijd lang interageren. Vervolgens zetten ze de atomaire toestanden terug naar licht en telden ze de fotonen. Ze ontdekten dat de relatie tussen de sterkte van het microgolfveld en het aantal gedetecteerde fotonen veel steiler en duidelijker werd dan zonder de interactie. Deze steilheid is de sleutel tot precisie; het betekent dat een minieme verandering in het microgolfveld een grote, gemakkelijk meetbare verandering in de output produceert. De onderzoekers maten een gevoeligheid van 39 nanovolt per centimeter per wortel uit Hertz. Dit getal vertegenwoordigt de kleinste verandering in het elektrische veld die de sensor betrouwbaar kan detecteren. Belangrijker nog, ze toonden aan dat deze prestatie werd bereikt, zelfs toen hun detectiesysteem slechts ongeveer twee procent efficiënt was, een niveau van verlies dat normaal gesproken de gevoeligheid van een kwantumsensor zou vernietigen.

Het team heeft ook een theoretisch model ontwikkeld om te verklaren waarom dit zo goed werkte. Ze toonden aan dat de interactie tussen de atomen effectief een specifieke component van de kwantumtoestand verwijdert die verantwoordelijk is voor het verwarren van de meting wanneer verliezen optreden. Door dit te doen, beschermt het systeem de resterende informatie, waardoor de sensor meer gegevens kan extraheren uit hetzelfde aantal gedetecteerde deeltjes. Ze vergeleken hun resultaten met wat men zou verwachten zonder deze interactie en stelden vast dat de nieuwe methode meer dan drie keer zoveel nuttige informatie per gedetecteerd foton leverde. Dit is een aanzienlijke winst, wat bewijst dat de strategie om interne interacties te gebruiken om fouten te voorkomen niet alleen een theoretische mogelijkheid is, maar een praktische realiteit.

Het team merkte er zorgvuldig bij op dat dit niet betekent dat ze het probleem van kwantumsensoren volledig hebben opgelost. De gevoeligheid die ze bereikten is vergelijkbaar met de beste sensoren die momenteel beschikbaar zijn, maar het was geen enorme sprong in pure prestatie. In plaats daarvan ligt de betekenis in de methode. Ze hebben aangetoond dat je geen perfecte detector of een vlekkeloze omgeving nodig hebt om hoogwaardige kwantummetingen te verrichten. Door gebruik te maken van de natuurkundige eigenschappen van de atomen zelf, hebben ze een systeem gecreëerd dat veerkrachtig is tegen de imperfecties die deze technologieën gewoonlijk beperken. Deze aanpak opent de deur naar robuustere kwantumsensoren die gebruikt kunnen worden in reële omstandigheden waar perfecte isolatie onmogelijk is.

Vooruitblikkend suggereert het team dat deze methode verder verbeterd kan worden. Als ze het aantal atomen in de wolk kunnen vergroten of de temperatuur nog verder kunnen verlagen om de beweging van de atomen te verminderen, zou de gevoeligheid nog hoger kunnen worden opgedreven. Ze zien ook mogelijkheden om deze techniek te gebruiken om enkelvoudige deeltjes licht of materie te detecteren, wat een grote stap zou zijn richting volledig kwantumverbeterde sensoren. Voor nu staat het werk als een duidelijke demonstratie dat soms de beste manier om een signaal te beschermen niet is om het af te schermen van de wereld, maar om de wereld er op een gecontroleerde manier mee te laten interageren, zodat het bericht wordt versterkt. Het experiment bewijst dat door het begrijpen en beheersen van de complexe dans van atomen, wetenschappers instrumenten kunnen bouwen die het onzichtbare zien met een helderheid die voorheen als onmogelijk werd beschouwd.