Le tecnologie quantistiche, inclusi sensori avanzati e futuri computer quantistici, dipendono dall'entanglement – quella connessione spettrale in cui le particelle si influenzano a vicenda in modi che farebbero venire il mal di testa a qualsiasi fisico classico. Creare questi stati entangled sofisticati ha tradizionalmente richiesto attrezzature sofisticate e sistemi sperimentali accuratamente progettati, perché nulla di valido in fisica arriva facile.
I ricercatori della Pritzker School of Molecular Engineering dell'Università di Chicago (UChicago PME) hanno ora proposto un approccio molto più semplice. Il loro nuovo metodo teorico può generare e controllare un'ampia gamma di stati quantici entangled utilizzando strumenti già comuni in molti laboratori di fisica quantistica. Il lavoro, pubblicato su Physical Review X, potrebbe aiutare a far progredire il rilevamento quantistico di ultra-precisione e aprire nuove opportunità per esplorare la fisica fondamentale.
“Volevamo prendere ingredienti semplici che si trovano in molte piattaforme fisiche e metterli insieme in modo minimale per ottenere qualcosa di interessante, complesso e potente”, ha detto Aashish Clerk, professore di ingegneria molecolare presso UChicago PME e autore senior del nuovo studio. La ricerca è stata supportata da Q-NEXT, un Centro Nazionale di Ricerca in Scienze dell'Informazione Quantistica del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) guidato dal Laboratorio Nazionale Argonne del DOE.
L'approccio del team si basa sull'elettrodinamica quantistica in cavità (cavity QED), dove gli atomi sono posti all'interno di una cavità ottica – due specchi che intrappolano la luce tra di loro. Le particelle interagiscono quindi con la luce confinata. Il problema? In molti sistemi cavity QED, tutti gli atomi interagiscono con la luce esattamente allo stesso modo, rendendoli effettivamente indistinguibili e limitando la gamma di stati quantici che possono essere prodotti.
“La sfida è sempre stata che questi sistemi hanno troppa simmetria”, ha detto Clerk. “Tutti gli atomi parlano alla luce allo stesso modo. Questo limita davvero il tipo di stati entangled che si ottengono.”
I ricercatori hanno trovato una soluzione semplice: mentre tutti gli atomi continuano a essere guidati dallo stesso laser, laser aggiuntivi o campi magnetici spostano le energie dello stato eccitato di diversi gruppi di atomi. Ogni atomo è accoppiato con un altro che ha un offset energetico uguale ma opposto. Questa semplice modifica rompe la simmetria mantenendo il sistema controllabile e prevedibile. Regolando quali atomi ricevono particolari spostamenti di energia, gli scienziati possono sintonizzare il sistema per produrre una varietà di stati entangled senza cambiare l'hardware.
“Accendi questi laser e aspetti, e a un certo punto il sistema si stabilizza in uno stato quantico interessante e altamente entangled”, ha detto Anjun Chu, ricercatore post-dottorato nel gruppo di Clerk e primo autore del nuovo lavoro. “Semplicemente regolando i laser, possiamo accedere a tipi di stati entangled a cui nessuno aveva pensato prima.”
Un'applicazione promettente è il rilevamento quantistico. Gli stati quantici entangled possono rilevare minuscole differenze nei campi magnetici o gravitazionali tra posizioni separate. Tuttavia, sviluppare stati che siano sia altamente sensibili che resistenti al rumore è stata una sfida importante. I ricercatori hanno dimostrato che una versione del loro sistema con due gruppi di atomi potrebbe misurare gradienti di campo – quando i due insiemi atomici sono posti in posizioni diverse, lo stato quantico risultante riflette la differenza tra i campi magnetici o gravitazionali locali mentre respinge il rumore di fondo che colpisce entrambe le posizioni allo stesso modo.
“Sei in grado di fare due cose che normalmente non sono compatibili tra loro: usare l'entanglement per costruire un sensore estremamente sensibile ma anche avere robustezza a quantità arbitrariamente grandi di rumore”, ha detto Clerk. “Normalmente, l'entanglement è molto fragile. Questo approccio ha una resilienza sorprendente.”
Un altro vantaggio: le informazioni memorizzate in questi stati quantici possono essere estratte utilizzando tecniche di misurazione Ramsey standard, eliminando la necessità di metodi specializzati. I ricercatori hanno anche mostrato che la stessa piattaforma può generare