اپتیک و کوانتوم

حالت‌های فشرده‌شده اسپین، حالت‌های درهم‌تنیده‌ای هستند که در آن ذرات در سیستم دخالت می‌کنند تا نویز کوانتومی ذاتی خود را خنثی کنند. بنابراین، این حالت‌ها فرصت‌های بزرگی را برای اندازه‌گیری کوانتومی تقویت‌شده ارائه می‌دهند زیرا امکان اندازه‌گیری دقیق‌تری را فراهم می‌کنند. با این حال، ایجاد و نگه داشتن حالت‌های فشرده‌شده اسپین در انتقال‌های نوری مورد نظر با نویز بیرونی سخت بوده است.

یکی از راه‌های خاص برای ایجاد حالت اسپین فشرده، قرار دادن اتم‌های ساعت در یک کاواک نوری است، مجموعه‌ای از آینه‌ها که نور می‌تواند بارها به جلو و عقب بتابد. در این کاواک، اتم‌ها می‌توانند گسیل‌های فوتون خود را همگام‌سازی کنند و انفجاری از نور به مراتب درخشان‌تر از هر اتم تنها ساطع کنند، پدیده‌ای که به آن ابردرخشندگی می‌گویند. بسته به نحوه استفاده از ابرتابش، می‌تواند منجر به درهم تنیدگی شود، یا در عوض، می‌تواند حالت کوانتومی مورد نظر را مختل کند. در مطالعه قبلی که با همکاری JILA و همکاران NIST، آنا ماریا ری و جیمز تامپسون انجام شد، محققان دریافتند که اتم‌های چند سطحی (با بیش از دو حالت انرژی داخلی) فرصت‌های منحصربه‌فردی را برای مهار گسیل ابرتابشی با وادار کردن اتم‌ها به لغو گسیل یکدیگر و بنابراین تاریک ماندن، ارائه می‌دهند.

اکنون که در مقاله‌های اخیرا منتشر شده در Physical Review Letters و Physical Review A گزارش شده است، ری و تیمش روشی را کشف کردند که چگونه نه تنها حالت‌های تاریک را در یک کاواک ایجاد می‌کند، بلکه مهم‌تر از آن، این حالت‌ها را تحت فشار قرار می‌دهد. یافته‌های آن‌ها می‌تواند فرصت‌های قابل‌توجهی را برای تولید ساعت‌های درهم‌تنیده باز کند، که می‌تواند مرز اندازه‌شناسی کوانتومی را به شیوه‌ای جذاب پیش ببرد. برای چندین سال، ری و تیمش امکان مهار ابرتابش را با تشکیل حالت‌های تاریک در داخل یک کاواک بررسی کرده‌اند. از آنجایی که حالت‌های تاریک پیکربندی‌های منحصر به فردی هستند که در آن مسیرهای معمول انتشار نور به طور مخربی تداخل دارند، این حالت‌ها نور ساطع نمی‌کنند. ری و تیمش نشان داده‌اند که حالت‌های تاریک زمانی قابل درک هستند که اتم‌های آماده‌شده در حالت‌های اولیه مشخص در داخل یک کاواک قرار گیرند.

ری می‌گوید: «ما می‌توانیم پتانسیل ابرتابشی را به‌عنوان یک ترن هوایی تصور کنیم که اتم‌ها در آن سوار می‌شوند. وقتی از تپه می‌افتند، به طور جمعی نور ساطع می‌کنند، اما وقتی به یک دره می‌رسند می‌توانند گیر کنند. در دره‌ها، اتم‌ها حالت‌های تاریک را تشکیل می‌دهند و از انتشار نور به داخل کاواک جلوگیری می‌کنند.» بووانش ساندار، نویسنده اول، محقق سابق فوق دکتری JILA، توضیح می‌دهد: «سوالی که ما قصد داشتیم در دو اثر جدید به آن بپردازیم این است که آیا آنها می‌توانند هم تاریک و هم به شدت درهم تنیده باشند. «بخش هیجان انگیز این است که ما متوجه شدیم که نه تنها پاسخ مثبت است، بلکه این نوع حالت‌های فشرده برای آماده سازی نسبتاً ساده هستند.»

Bhuvanesh Sundar et al, Squeezing Multilevel Atoms in Dark States via Cavity Superradiance, Physical Review Letters (2024).