تعتمد التقنيات الكمومية، بما في ذلك أجهزة الاستشعار المتطورة وأجهزة الكمبيوتر الكمومية المستقبلية، على التشابك - ذلك الاتصال المخيف حيث تؤثر الجسيمات على بعضها البعض بطرق تسبب الصداع لأي فيزيائي تقليدي. إن إنشاء هذه الحالات المتشابكة الفاخرة تطلب تقليديًا معدات متطورة وأنظمة تجريبية مصممة بعناية، لأنه لا شيء ذو قيمة في الفيزياء يأتي بسهولة.

اقترح باحثون في كلية بريتزكر للهندسة الجزيئية بجامعة شيكاغو (UChicago PME) الآن نهجًا أبسط بكثير. يمكن لطريقتهم النظرية الجديدة توليد والتحكم في مجموعة واسعة من الحالات الكمومية المتشابكة باستخدام أدوات شائعة بالفعل في العديد من مختبرات الفيزياء الكمومية. يمكن أن يساعد العمل، المنشور في Physical Review X، في تطوير الاستشعار الكمومي فائق الدقة وفتح فرص جديدة لاستكشاف الفيزياء الأساسية.

"أردنا أن نأخذ مكونات بسيطة تجدها في العديد من المنصات الفيزيائية ونجمعها معًا بطريقة بسيطة للحصول على شيء مثير للاهتمام ومعقد وقوي،" قال آشيش كليرك، أستاذ الهندسة الجزيئية في UChicago PME والمؤلف الرئيسي للدراسة الجديدة. تم دعم البحث من قبل Q-NEXT، مركز أبحاث علوم المعلومات الكمومية الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE) بقيادة مختبر أرجون الوطني التابع لوزارة الطاقة.

يعتمد نهج الفريق على الديناميكا الكهربائية الكمومية للتجويف (cavity QED)، حيث توضع الذرات داخل تجويف بصري - مرآتان تحبسان الضوء بينهما. ثم تتفاعل الجسيمات مع الضوء المحصور. المشكلة؟ في العديد من أنظمة cavity QED، تتفاعل جميع الذرات مع الضوء بنفس الطريقة تمامًا، مما يجعلها غير قابلة للتمييز فعليًا ويحد من نطاق الحالات الكمومية التي يمكن إنتاجها.

"كان التحدي دائمًا هو أن هذه الأنظمة لديها تماثل كبير جدًا،" قال كليرك. "جميع الذرات تتحدث إلى الضوء بنفس الطريقة. هذا يقيد حقًا نوع الحالات المتشابكة التي تحصل عليها."

وجد الباحثون حلاً مباشرًا: بينما تستمر جميع الذرات في الاندفاع بنفس الليزر، تعمل أشعة ليزر إضافية أو مجالات مغناطيسية على تحويل طاقات الحالات المثارة لمجموعات مختلفة من الذرات. كل ذرة مقترنة بأخرى لها إزاحة طاقة معاكسة متساوية. يكسر هذا التعديل البسيط التماثل مع الحفاظ على قابلية التحكم والتنبؤ بالنظام. من خلال ضبط أي الذرات تتلقى تحولات طاقة معينة، يمكن للعلماء ضبط النظام لإنتاج مجموعة متنوعة من الحالات المتشابكة دون تغيير الأجهزة.

"تقوم بتشغيل هذه الليزرات وتنتظر، وفي مرحلة ما يستقر النظام في حالة كمومية مثيرة للاهتمام ومتشابكة بشدة،" قال أنجون تشو، باحث ما بعد الدكتوراه في مجموعة كليرك والمؤلف الأول للعمل الجديد. "ببساطة عن طريق ضبط الليزرات، يمكننا الوصول إلى أنواع من الحالات المتشابكة لم يفكر بها أحد من قبل."

أحد التطبيقات الواعدة هو الاستشعار الكمومي. يمكن للحالات الكمومية المتشابكة اكتشاف الاختلافات الصغيرة في المجالات المغناطيسية أو الجاذبية بين المواقع المنفصلة. ومع ذلك، كان تطوير حالات حساسة للغاية ومقاومة للضوضاء تحديًا كبيرًا. أظهر الباحثون أن نسخة من نظامهم تحتوي على مجموعتين من الذرات يمكنها قياس تدرجات المجال - عندما توضع المجموعتان الذريتان في مواقع مختلفة، تعكس الحالة الكمومية الناتجة الفرق بين المجالات المغناطيسية أو الجاذبية المحلية مع رفض الضوضاء الخلفية التي تؤثر على كلا الموقعين بالتساوي.

"أنت قادر على فعل شيئين غير متوافقين عادة مع بعضهما البعض: استخدام التشابك لبناء مستشعر حساس للغاية ولكن أيضًا التمتع بالمتانة ضد كميات كبيرة بشكل تعسفي من الضوضاء،" قال كليرك. "عادة، التشابك هش للغاية. هذا النهج يتمتع بمرونة مذهلة."

ميزة أخرى: يمكن استخراج المعلومات المخزنة في هذه الحالات الكمومية باستخدام تقنيات قياس رامزي القياسية، مما يلغي الحاجة إلى طرق متخصصة. أظهر الباحثون أيضًا أن نفس المنصة يمكنها توليد