Bilim İnsanları Kuantum Dünyasında İmkansızı Gerçekleştirdi
Yeni bir çalışmada, Colorado Boulder Üniversitesi’ndeki fizikçiler, aynı anda üç boyutta ivmeyi ölçmek için son derece düşük sıcaklıklara soğutulmuş bir atom bulutu kullanarak, birçok bilim insanının bir zamanlar mümkün olmadığını düşündüğü şeyi başardılar.
Yeni bir tür atom “interferometresi” olan cihaz, denizaltılar, uzay araçları, arabalar ve diğer araçlar için navigasyonu nihayetinde geliştirebilir.
Yeni çalışmanın ortak yazarlarından ve CU Boulder Fizik Bölümü’nde yüksek lisans öğrencisi olan Kendall Mehling, “Geleneksel atom interferometreleri ivmeyi yalnızca tek bir boyutta ölçebilir, ancak biz üç boyutlu bir dünyada yaşıyoruz” dedi. “Nereye gittiğimi ve nerede olduğumu bilmek için ivmemi her üç boyutta da izlemem gerekiyor.”
Araştırmacılar makalelerini Science Advances dergisinde yayınladılar. Ekipte Mehling, fizik alanında doktora sonrası araştırmacı Catie LeDesma ve fizik profesörü ve CU Boulder ile Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) arasında ortak bir araştırma enstitüsü olan JILA’nın üyesi Murray Holland yer aldı.
NASA, 2023 yılında CU Boulder araştırmacılarına sensör teknolojisini geliştirmeye devam etmeleri için ajansın Kuantum Yolları Enstitüsü aracılığıyla 5,5 milyon dolarlık bir hibe verdi.
Soldan sağa, Kendall Mehling, Murray Holland ve Catie LeDesma CU Boulder’daki laboratuvarlarında. Kredi: Glenn Asakawa/CU Boulder.
Yeni cihaz etkileyici bir mühendislik başarısı. Holland ve meslektaşları, on binlerce rubidyum atomundan oluşan bir bulutu hapsetmek için her biri insan saçı inceliğinde altı lazer kullanıyor. Yapay zeka yardımıyla lazerleri karmaşık düzenlerde ayarlayarak, atomların bir arabada gaz pedalına basmaya benzer şekilde küçük hızlanmalara nasıl tepki verdiğini gözlemlemelerini sağlıyorlar.
Günümüzde çoğu araç, ivmeyi takip etmek için GPS ve ivmeölçer adı verilen geleneksel elektronik cihazlara güveniyor. Kuantum cihazı henüz bu araçların yerini almaya hazır olmasa da, araştırmacılar atom tabanlı navigasyon teknolojisi için güçlü bir potansiyel görüyor.
Mehling, “Klasik bir sensörü yıllarca farklı ortamlarda bırakırsanız, yaşlanacak ve bozulacaktır” dedi. “Saatinizdeki yaylar değişecek ve bükülecektir. Atomlar yaşlanmaz.”
Hareketin parmak izleri
İnterferometreler yüzyıllardır çeşitli şekillerde var olmuş ve optik fiberler aracılığıyla bilgi aktarımından uzayın dokusundaki dalgalanmalar olan yerçekimi dalgalarının tespitine kadar geniş bir uygulama yelpazesinde kullanılmıştır.
Temel prensip, bir ceketin fermuarını açıp kapatmaya benzer şekilde bir şeyi parçalara ayırıp tekrar bir araya getirmeyi içerir.
Örneğin lazer interferometride, bilim insanları bir lazer ışığı demetini parlatır ve daha sonra onu ayrı yollar boyunca ilerleyen iki özdeş ışına böler. Işınlar tekrar bir araya getirildiklerinde, yolları boyunca yerçekimi gibi farklı şekillerde etkilenmişlerse mükemmel bir şekilde hizalanmayabilirler. Bu uyumsuzluk veya girişim, ışınların neler yaşadığına dair bilgileri ortaya çıkarır; bu nedenle “interferometre” terimi kullanılır.
Mevcut çalışmada ekip aynı başarıyı ışık yerine atomlarla elde etti.
İşte nasıl çalıştığı: Cihaz şu anda yaklaşık bir hava hokeyi masası büyüklüğünde bir tezgaha sığıyor. İlk olarak, araştırmacılar bir rubidyum atomları koleksiyonunu mutlak sıfırın sadece birkaç milyarda bir derece üzerindeki sıcaklıklara kadar soğutuyorlar.
Bu soğuk bölgede atomlar, Bose-Einstein Yoğuşması (BEC) olarak bilinen maddenin gizemli bir kuantum halini oluşturuyor. O zamanlar CU Boulder’da fizikçi olan Carl Wieman ve JILA’dan Eric Cornell, ilk BEC’i yarattıkları için 2001 yılında Nobel Ödülü kazandılar.
Daha sonra ekip, atomları sallamak için lazer ışığı kullanarak onları birbirinden ayırıyor. Bu durumda, bu atom gruplarının ayrıldığı anlamına gelmiyor. Bunun yerine, her bir atom, aynı anda iki yerde bulunabildiği süperpozisyon adı verilen hayalet bir kuantum durumunda bulunuyor.
Atomlar bölünüp ayrıldıklarında, bu hayaletler iki farklı yol izleyerek birbirlerinden uzaklaşırlar. (Mevcut deneyde, araştırmacılar aslında cihazın kendisini hareket ettirmediler, ancak atomları itmek için lazerler kullanarak ivmelenmeye neden oldular).
Holland, “Bose-Einstein Yoğuşmamız atomlardan oluşan bir madde dalgası göleti ve gölete küçük ışık paketlerinden oluşan taşlar atarak hem sağa hem de sola dalgalanmalar gönderiyoruz” dedi. “Dalgalar yayıldıktan sonra onları yansıtıyoruz ve karıştıkları yerde tekrar bir araya getiriyoruz.”
Atomlar tekrar bir araya geldiklerinde, tıpkı iki lazer ışığı demetinin bir araya gelmesi gibi ama daha karmaşık olan benzersiz bir desen oluşturuyorlar. Sonuç, cam üzerindeki bir parmak izine benziyor.
Holland, “Bu parmak izinin kodunu çözebilir ve atomların yaşadığı ivmeyi çıkarabiliriz” dedi.
Bilgisayarlarla planlama
Grup bu başarıya ulaşmak için cihazı neredeyse üç yılda inşa etti.
“Şu anki deneysel cihaz olduğu şeye göre inanılmaz derecede kompakt. Atom bulutumuzu içeren vakum sisteminden 18 lazer ışını geçmesine rağmen, deneyin tamamı bir gün sahada kullanabileceğimiz kadar küçük” diyor LeDesma.
Bu başarının sırlarından biri, makine öğrenimi adı verilen bir yapay zeka tekniğine dayanıyor. Holland, rubidyum atomlarının bölünmesi ve yeniden birleştirilmesinin, lazerlerin karmaşık, çok adımlı bir süreçle ayarlanmasını gerektirdiğini açıkladı. Süreci kolaylaştırmak için grup, bu hareketleri önceden planlayabilen bir bilgisayar programını eğitti.
Cihaz şu ana kadar yalnızca Dünya’nın yerçekimi kuvvetinden birkaç bin kat daha küçük ivmeleri ölçebiliyor. Şu anda mevcut teknolojiler çok daha iyisini yapabiliyor.
Ancak grup mühendisliğini geliştirmeye devam ediyor ve önümüzdeki yıllarda kuantum cihazının performansını kat kat artırmayı umuyor. Yine de bu teknoloji, atomların ne kadar yararlı olabileceğinin bir kanıtı.
Holland, “Bu araştırmanın olası tüm sonuçlarından tam olarak emin değiliz, çünkü bir kapı açıyor” dedi.
Kaynak: https://scitechdaily.com