Nowatorskie narzędzia kwantowe do precyzyjnych pomiarów
Interferometria od lat należy do najbardziej zaawansowanych i najdokładniejszych technik pomiarowych, a użycie interferometrów pozwala uzyskiwać najdokładniejsze pomiary czasu, częstotliwości i sił bezwładności. W interferometrze wykorzystuje się dwie fale sondujące (fale świetlne lub fale materii), których przesunięcie fazowe generuje mierzalne zjawiska interferencyjne. Domeną interferometrii jest mierzenie takich zjawisk w celu oszacowania występującego przesunięcia fazowego z jak najmniejszą niepewnością. Za cel projektu QIBEC przyjęto zbadanie i opracowanie wyjątkowo precyzyjnych interferometrów wykorzystujących potencjał, jaki dają zjawiska kwantowe. "Interferometry kwantowe pozwalają nam bardzo dokładnie wnioskować na temat niezmiernie drobnych sił i przyspieszeń na podstawie ich wpływu na egzotyczny, kwantowy stan materii zwany kondensatem Bosego-Einsteina (KBE)", wyjaśnia koordynator projektu, dr Augusto Smerzi z włoskiej Krajowej Rady Badań Naukowych, patronującej projektowi. "Kondensat uzyskuje się, schładzając rozcieńczony gaz o odpowiednim składzie atomowym do temperatury bardzo bliskiej zeru bezwzględnemu". W wyższych temperaturach atomy gazu bezustannie zderzają się chaotycznie ze sobą z ogromnymi prędkościami, jednak atomy w KBE poruszają się znacznie wolniej i w sposób bardziej uporządkowany. Manipulowanie splątaniem wielu cząstek Przełomowe osiągnięcie projektu polegało konkretnie na uzyskaniu środowiska masowego splątania wielu cząstek w atomowych kondensatach Bosego-Einsteina, manipulowaniu takim splątaniem i zbudowaniu miarodajnych interferometrów ulepszonych poprzez uwzględnianie efektów splątania. Interferometry te pozwalają uzyskać dokładność wykraczającą poza tradycyjne granice wyznaczone przez szum śrutowy, co umożliwia dokonywanie pomiarów i wykrywanie oddziaływań słabych z czułością lepszą od poziomu szumu śrutowego. "Chcieliśmy zweryfikować popularne wśród badaczy KBE przekonanie, że uwięzione gazy w postaci KBE nie są przydatne do pomiarów ze względu na niską liczbę atomów i defazowanie wynikające z interakcji", mówi dr Smerzi. "Połączyliśmy użycie KBE z nowatorskimi technikami pozwalającymi minimalizować szumy pochodzenia zarówno technicznego, jak i fundamentalnego, w tym wibracje mechaniczne, fluktuacje pól magnetycznych i straty atomów". Badacze sprawdzili też doświadczalnie poprawność jednoczesnej pracy interferometrów używanych do precyzyjnego mierzenia sił bezwładności, grawitacyjnych i elektromagnetycznych. "Układ pomiarowy uzyskany poprzez rozcieńczenie KBE w kontrolowanym potencjale siatki optycznej nie tylko daje czułość jednego pomiaru na siły porównywalną z najnowocześniejszymi interferometrami swobodnie spadającymi, ale też otwiera możliwość stosowania rozwinięcia multipolowego (funkcji matematycznej zależnej od kątów, w której pola w odległych punktach są określone przez źródła skupione w niewielkim regionie)", wyjaśnia dr Smerzi. Prace projektu były nastawione na wyniki czysto naukowe, więc nie przyniosły żadnych wyników komercyjnych ani patentów, jednak konkretne zastosowania badań podstawowych przeprowadzonych przez zespół projektu QIBEC mogą pojawić się w przyszłości. Dr Smerzi tłumaczy: "Można wyobrazić sobie powstanie mikroskopijnych interferometrów pułapkowych, które mogłyby przewyższać najnowocześniejsze interferometry atomowe dzięki wykorzystaniu długich czasów pomiaru i metod przetwarzania równoległego. Pozwoliłoby to stworzyć nową generację mikroskopijnych czujników siły bezwładności". Prace projektu QIBEC zakończono w lipcu 2015 r., a otrzymane finansowanie UE wyniosło około 2 600 000 EUR.
Słowa kluczowe
QIBEC, BEC, KBE, kondensat Bosego-Einsteina, interferometria, splątanie, wykrywanie kwantowe, FET (Nowe technologie i technologie przyszłości)
