Статья подготовлена Чикагским университетом и опубликована на ScienceDaily .
Многие из наиболее перспективных квантовых технологий, включая передовые датчики и будущие квантовые компьютеры, основаны на явлении, известном как квантовая запутанность, при котором частицы глубоко связываются и влияют друг на друга способами, которые невозможно объяснить с помощью классической физики. Создание сложных запутанных состояний, необходимых для этих технологий, традиционно требовало сложного оборудования и тщательно разработанных экспериментальных систем.
Исследователи из Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета предложили гораздо более простой подход. Их новый теоретический метод позволяет генерировать и контролировать широкий спектр запутанных квантовых состояний, используя инструменты, уже широко распространенные во многих лабораториях квантовой физики.
Данная работа, опубликованная в журнале Physical Review X, может способствовать развитию сверхточных квантовых методов зондирования и открыть новые возможности для исследования фундаментальной физики.
«Мы хотели взять простые компоненты, которые можно найти во многих физических платформах, и объединить их минимальным способом, чтобы получить нечто интересное, сложное и мощное», — сказал Аашиш Клерк, профессор молекулярной инженерии в Чикагском университете (UChicago PME) и старший автор нового исследования.
Исследование было поддержано программой Q-NEXT, Национальным научно-исследовательским центром квантовой информационной науки Министерства энергетики США, возглавляемым Аргоннской национальной лабораторией Министерства энергетики.
Переосмысление систем квантовой электродинамики с резонаторами
Подход команды основан на квантовой электродинамике в полости, широко известной как квантовая электродинамика в полости. В этих экспериментах атомы или другие частицы помещаются внутрь оптической полости, которая состоит из двух зеркал, улавливающих свет между ними. Затем частицы взаимодействуют с локализованным светом внутри полости.
Ограничением многих систем квантовой электродинамики в резонаторах является то, что все атомы взаимодействуют со светом совершенно одинаково. Поскольку атомы практически неразличимы, диапазон квантовых состояний, которые могут быть получены, ограничен.
« Проблема всегда заключалась в том, что эти системы обладают слишком большой симметрией . Все атомы взаимодействуют со светом одинаково, — сказал Клерк. — Это действительно ограничивает возможности получения различных типов запутанных состояний».
В типичной установке квантовой электродинамики с резонатором каждый атом имеет основное и возбужденное состояния, разделенные определенной разностью энергий.
Исследователи нашли простой способ уменьшить симметрию системы. Хотя все атомы по-прежнему возбуждаются одним и тем же лазером, для смещения энергий возбужденных состояний различных групп атомов используются дополнительные лазеры или магнитные поля. Атомы располагаются таким образом, что каждый из них образует пару с другим атомом, имеющим равное, но противоположное смещение энергии.
Эта простая модификация позволяет атомам вести себя по-разному, сохраняя при этом достаточную структуру для того, чтобы система оставалась управляемой и предсказуемой. Изменяя, какие атомы получают определенные энергетические сдвиги, ученые могут настраивать систему для получения различных запутанных состояний без изменения физического оборудования.
«Вы включаете эти лазеры и ждёте, и в какой-то момент система стабилизируется, переходя в интересное, сильно запутанное квантовое состояние», — сказал Аньджун Чу, научный сотрудник группы Клерка и первый автор новой работы. «Просто регулируя лазеры, мы можем получить доступ к таким запутанным состояниям, о которых раньше никто не думал».
Создание более совершенных квантовых датчиков
Одним из наиболее перспективных применений нового подхода является квантовое зондирование.
Теоретически, запутанные квантовые состояния способны обнаруживать чрезвычайно малые различия в магнитных или гравитационных полях между отдельными точками. Однако разработка состояний, одновременно обладающих высокой чувствительностью и устойчивостью к шуму, остается серьезной проблемой.
Исследователи продемонстрировали, что вариант предложенной ими системы, содержащий две группы атомов, может быть использован для измерения градиента поля . Когда два атомных ансамбля помещаются в разные места, результирующее квантовое состояние отражает разницу между локальными магнитными или гравитационными полями. В то же время оно естественным образом отфильтровывает фоновый шум, который одинаково влияет на оба места.
«Вы можете сделать две вещи, которые обычно несовместимы друг с другом: использовать квантовую запутанность для создания исключительно чувствительного датчика, но при этом обеспечить устойчивость к произвольно большим уровням шума», — сказал Клерк. «Обычно квантовая запутанность очень хрупка. Этот подход обладает удивительной устойчивостью».
Еще одно преимущество заключается в том, что информацию, хранящуюся в этих квантовых состояниях, можно извлечь с помощью стандартных методов измерения Рамсея, что устраняет необходимость в специализированных или экзотических методах измерения.
Области применения за пределами сенсорики
Исследователи также показали, что та же платформа способна генерировать необычные квантовые состояния, которые давно привлекают внимание физиков.
Одним из примеров является состояние AKLT , хорошо известное многочастичное запутанное состояние, впервые представленное в 1980-х годах для описания необычных магнитных материалов. Команда обнаружила, что их относительно простая установка может стабилизировать это состояние. Помимо помощи ученым в изучении сложных магнитных систем, состояние AKLT может также найти применение в квантовых вычислениях.
Следующие шаги в исследовании
На данный момент работа носит теоретический характер, но исследователи уже обсуждают возможные экспериментальные проверки с другими группами.
Они также изучают более сложные способы расположения атомов в системе и исследуют весь спектр квантовых состояний, которые может создавать их метод.
« Тот факт, что такие простые ингредиенты могут генерировать столь сложные и полезные квантовые состояния, вселяет в нас надежду, что еще до того, как мы достигнем мечты об универсальном квантовом компьютере, мы уже сможем генерировать квантовые состояния, которые позволят нам делать то, что мы не могли бы делать в чисто классическом мире », — сказал Клерк.
Данный материал основан на работе, поддержанной Управлением науки Министерства энергетики США в рамках программы Q-NEXT (Национальные центры исследований в области квантовой информации).
Ссылка на статью в журнале: Anjun Chu, Mikhail Mamaev, Martin Koppenhofer, Ming Yuan, Aashish A. Clerk. "Reconfigurable Dissipative Entanglement between Many Spin Ensembles: From Robust Quantum Sensing to Many-Body State Engineering." Physical Review X, 2026; 16 (2). DOI: 10.1103/qdh9-2pc7
Комментариев нет:
Отправить комментарий