Quantentechnologien, darunter fortschrittliche Sensoren und zukünftige Quantencomputer, sind auf Verschränkung angewiesen – diese spukhafte Verbindung, bei der Teilchen einander auf eine Weise beeinflussen, die jedem klassischen Physiker Kopfschmerzen bereiten würde. Die Erzeugung dieser ausgeklügelten verschränkten Zustände erforderte traditionell hochentwickelte Geräte und sorgfältig entworfene experimentelle Systeme, denn nichts Wertvolles in der Physik kommt einfach daher.
Forscher der Pritzker School of Molecular Engineering der University of Chicago (UChicago PME) haben nun einen viel einfacheren Ansatz vorgeschlagen. Ihre neue theoretische Methode kann eine breite Palette verschränkter Quantenzustände mit Werkzeugen erzeugen und steuern, die in vielen Quantenphysiklabors bereits üblich sind. Die in Physical Review X veröffentlichte Arbeit könnte dazu beitragen, ultrapräzise Quantensensorik voranzutreiben und neue Möglichkeiten zur Erforschung der grundlegenden Physik zu eröffnen.
„Wir wollten einfache Zutaten nehmen, die man in vielen physikalischen Plattformen findet, und diese auf minimale Weise kombinieren, um etwas Interessantes, Komplexes und Leistungsstarkes zu erhalten“, sagte Aashish Clerk, Professor für Molekulartechnik an der UChicago PME und leitender Autor der neuen Studie. Die Forschung wurde von Q-NEXT unterstützt, einem nationalen Quanteninformationswissenschaftlichen Forschungszentrum des US-Energieministeriums (DOE), das vom Argonne National Laboratory des DOE geleitet wird.
Der Ansatz des Teams basiert auf der Kavitäts-Quantenelektrodynamik (Kavitäts-QED), bei der Atome in eine optische Kavität platziert werden – zwei Spiegel, die Licht zwischen sich einschließen. Die Teilchen interagieren dann mit dem eingeschlossenen Licht. Das Problem? In vielen Kavitäts-QED-Systemen interagieren alle Atome auf genau dieselbe Weise mit dem Licht, was sie praktisch ununterscheidbar macht und die Bandbreite der erzeugbaren Quantenzustände einschränkt.
„Die Herausforderung war schon immer, dass diese Systeme zu viel Symmetrie aufweisen“, sagte Clerk. „Alle Atome sprechen auf die gleiche Weise mit dem Licht. Das schränkt wirklich ein, welche Art von verschränkten Zuständen man erhält.“
Die Forscher fanden eine einfache Lösung: Während alle Atome weiterhin vom selben Laser angeregt werden, verschieben zusätzliche Laser oder Magnetfelder die Energien der angeregten Zustände verschiedener Atomgruppen. Jedes Atom wird mit einem anderen gepaart, das einen gleich großen, aber entgegengesetzten Energieversatz aufweist. Diese einfache Modifikation bricht die Symmetrie, während das System kontrollierbar und vorhersagbar bleibt. Durch Anpassung, welche Atome bestimmte Energieverschiebungen erhalten, können Wissenschaftler das System so abstimmen, dass es eine Vielzahl verschränkter Zustände erzeugt, ohne die Hardware zu ändern.
„Man schaltet diese Laser ein und wartet, und irgendwann stabilisiert sich das System in einem interessanten, hochgradig verschränkten Quantenzustand“, sagte Anjun Chu, Postdoktorand in der Clerk-Gruppe und Erstautor der neuen Arbeit. „Durch einfaches Anpassen der Laser können wir auf Arten von verschränkten Zuständen zugreifen, an die vorher niemand gedacht hatte.“
Eine vielversprechende Anwendung ist die Quantensensorik. Verschränkte Quantenzustände können winzige Unterschiede in magnetischen oder Gravitationsfeldern zwischen verschiedenen Orten erkennen. Die Entwicklung von Zuständen, die sowohl hochsensitiv als auch resistent gegen Rauschen sind, war jedoch eine große Herausforderung. Die Forscher zeigten, dass eine Version ihres Systems mit zwei Atomgruppen Feldgradienten messen kann – wenn die beiden Atomensembles an verschiedenen Orten platziert werden, spiegelt der resultierende Quantenzustand den Unterschied zwischen lokalen magnetischen oder Gravitationsfeldern wider, während Hintergrundrauschen, das beide Orte gleichermaßen betrifft, unterdrückt wird.
„Man kann zwei Dinge tun, die normalerweise nicht miteinander vereinbar sind: Verschränkung nutzen, um einen äußerst empfindlichen Sensor zu bauen, und gleichzeitig Robustheit gegenüber beliebig großen Rauschmengen haben“, sagte Clerk. „Normalerweise ist Verschränkung sehr fragil. Dieser Ansatz hat eine erstaunliche Widerstandsfähigkeit.“
Ein weiterer Vorteil: Die in diesen Quantenzuständen gespeicherten Informationen können mit standardmäßigen Ramsey-Messtechniken extrahiert werden, sodass keine speziellen Methoden erforderlich sind. Die Forscher zeigten auch, dass dieselbe Plattform