Spinnklämning

Spinnklämning är en kvantprocess som minskar variansen hos en av rörelsemängdskomponenterna i en ensemble av partiklar med ett spinn. De erhållna kvanttillstånden kallas spinnpressade tillstånd . Sådana tillstånd kan användas för kvantmetrologi , eftersom de kan ge en bättre precision för att uppskatta en rotationsvinkel än klassiska interferometrar.

Matematisk definition

Spinnpressade tillstånd för en ensemble av snurr har definierats analogt med pressade tillstånd i ett bosoniskt läge. Ett kvanttillstånd följer alltid Heisenbergs osäkerhetsrelation

$(\Delta J_{x})^{2}(\Delta J_{y})^{2}\geqslant {\frac {1}{4}}|\langle J_{z}\rangle |^{2},$

där $J_{l}$ är de kollektiva rörelsemängdskomponenterna definierade som $J_{l}=\sum _{n}j_{l}^{ (n)},$ och $j_{l}^{(n)}$ är de enskilda partiklarnas vinkelmomentkomponenter. Tillståndet snurras i $x$ -riktningen, om variansen av $x$ -komponenten är mindre än kvadratroten av den högra sidan av olikheten ovan

$(\Delta J_{x})^{2}<{\frac {1}{2}}|\langle J_{z}\rangle |.$

Det är viktigt att $z$ är riktningen för medelsnurrandet. En annan definition baserades på användning av tillstånd med reducerad spin-varians för metrologi.

Tillämpningar inom kvantmetrologi

Spinnpressade tillstånd kan användas för att uppskatta en rotationsvinkel med en precision bättre än den klassiska eller skottbrusgränsen. Speciellt om det nästan maximala medelsnurret pekar mot $z$ -riktningen, och tillståndet snurras i $x$ -riktningen, kan det användas för att uppskatta rotationsvinkeln runt y $y$ -axeln Detta kan till exempel användas för magnetometri.

Relationer till kvantintrassling

Spinnpressade tillstånd kan bevisas vara intrasslade baserat på mätning av spinnlängden och variansen av spinn i ortogonal riktning. Låt oss definiera spin squeezing parametern

$\xi _{\rm {s}}^{2}=N{\frac {(\Delta J_{x})^{2}}{|\langle J_{z}\rangle |^{ 2}}}$ ,

där $N$ är numret på spin- $1/2$ -partiklarna i ensemblen. Sedan, om $\xi _{\rm {s}}^{2}$ är mindre än $1$ så är tillståndet intrasslat. Det har också visat sig att en högre och högre nivå av multipartite entanglement behövs för att uppnå en större och större grad av spinnklämning.

Experiment med atomensembler

Experiment har utförts med kalla eller till och med rumstempererade atomensembler. I det här fallet interagerar inte atomerna med varandra. Därför, för att trassla in dem, får de dem att interagera med ljus som sedan mäts. En 20 dB (100 gånger) spin squeezing har erhållits i ett sådant system. Samtidig spinnklämning av två ensembler, som interagerar med samma ljusfält, har använts för att trassla in de två ensemblerna. Spinnklämning kan förbättras genom att använda håligheter.

Kallgasexperiment har också utförts med Bose-Einstein Condensates (BEC). I det här fallet beror spinnklämningen på interaktionen mellan atomerna.

De flesta experiment har utförts med endast två inre tillstånd av partiklarna, därför effektivt med spin- $1/2$ partiklar. Det finns också experiment som syftar till spinnpressning med partiklar med högre spinn. Kärnelektronspinnklämning i atomerna, snarare än interatomisk spinnklämning, har också skapats i rumstemperaturgaser.

Skapar stor spinnklämning

Experiment med atomensembler genomförs vanligtvis i fritt utrymme med Gaussiska laserstrålar. För att förstärka spinnklämningseffekten mot att generera icke-Gaussiska tillstånd, som är metrologiskt användbara, räcker det inte med apparater med fritt utrymme. Kaviteter och nanofotoniska vågledare har använts för att förstärka klämeffekten med färre atomer. För vågledarsystemen kan atom-ljuskopplingen och klämeffekten förbättras med hjälp av det försvinnande fältet nära vågledarna, och typen av atom-ljusinteraktion kan styras genom att välja ett korrekt polarisationstillstånd för det guidade ingångsljuset, atomernas inre delrum och geometrin för fångstformen. Spinnklämningsprotokoll med nanofotoniska vågledare baserade på dubbelbrytningseffekten och Faraday-effekten har föreslagits. Genom att optimera det optiska djupet eller kooperativiteten genom att kontrollera de geometriska faktorerna som nämns ovan, visar Faraday-protokollet att man, för att förstärka klämeffekten, behöver hitta en geometri som genererar svagare lokala elektriska fält vid atompositionerna. Detta är kontraintuitivt, eftersom det vanligtvis krävs ett starkt lokalt fält för att förbättra atom-ljuskopplingen. Men det öppnar dörren för att utföra mycket exakta mätningar med små störningar i kvantsystemet, som inte samtidigt kan tillfredsställas med ett starkt fält.

Generaliserad spinnklämning

Inom intrasslingsteorin hänvisar generaliserad spinnklämning också till vilket kriterium som helst som ges med det första och andra momentet av vinkelmomentkoordinater, och detekterar intrassling i ett kvanttillstånd. För en stor ensemble av spin-1/2-partiklar har en komplett uppsättning sådana relationer hittats, som har generaliserats till partiklar med ett godtyckligt spinn. Förutom att detektera intrassling i allmänhet, finns det relationer som upptäcker multipartite intrassling. Några av de generaliserade spin-squeezing entanglement-kriterierna har också en relation till kvantmetrologiska uppgifter. Till exempel kan plana pressade tillstånd användas för att mäta en okänd rotationsvinkel optimalt.