量子技術、高度なセンサーや将来の量子コンピュータを含む、はエンタングルメントに依存している。それは、粒子が古典物理学者を頭痛にさせる方法で互いに影響し合う不気味なつながりだ。これらの派手なエンタングル状態を作り出すには、伝統的に高度な装置と慎重に設計された実験システムが必要だった。物理学で価値あるものは簡単には手に入らないからだ。
シカゴ大学プリツカー分子工学部（UChicago PME）の研究者たちは、今やはるかに簡単なアプローチを提案している。彼らの新しい理論的手法は、多くの量子物理学研究室で既に一般的なツールを使って、幅広いエンタングル量子状態を生成・制御できる。Physical Review Xに掲載されたこの研究は、超高精度の量子センシングを進め、基礎物理学を探求する新たな機会を開く可能性がある。
「私たちは、多くの物理プラットフォームで見られるシンプルな材料を取り、それらを最小限の方法で組み合わせて、面白く、複雑で、強力なものを得たいと考えました」と、UChicago PMEの分子工学教授で新しい研究の上級著者であるAashish Clerkは述べた。この研究は、米国エネルギー省（DOE）のアルゴンヌ国立研究所が率いるDOE国立量子情報科学研究センターであるQ-NEXTによって支援された。
チームのアプローチは空洞量子電気力学（空洞QED）に基づいている。原子を光学空洞（2枚の鏡で光を閉じ込める）の中に置き、粒子が閉じ込められた光と相互作用する。問題は？多くの空洞QEDシステムでは、すべての原子がまったく同じ方法で光と相互作用するため、事実上区別がつかなくなり、生成できる量子状態の範囲が制限される。
「課題は常に、これらのシステムが対称性を持ちすぎることでした」とClerkは言う。「すべての原子が同じ方法で光と話しています。それが、得られるエンタングル状態の種類を本当に制限しています。」
研究者たちは簡単な修正を見つけた。すべての原子が同じレーザーで駆動され続ける一方で、追加のレーザーや磁場が異なる原子グループの励起状態エネルギーをシフトさせる。各原子は、等しく反対のエネルギーオフセットを持つ別の原子とペアになる。この単純な修正は、システムを制御可能で予測可能に保ちながら、対称性を破る。どの原子が特定のエネルギーシフトを受けるかを調整することで、科学者はハードウェアを変更せずにシステムを調整してさまざまなエンタングル状態を生成できる。
「これらのレーザーをオンにして待つと、ある時点でシステムが興味深い高度にエンタングルした量子状態に安定化します」と、Clerkグループの博士研究員で新しい研究の第一著者であるAnjun Chuは述べた。「単にレーザーを調整するだけで、これまで誰も考えたことのない種類のエンタングル状態にアクセスできます。」
有望な応用の一つは量子センシングである。エンタングル量子状態は、異なる場所間の磁場や重力場の微小な差を検出できる。しかし、高感度でノイズに強い状態を開発することは大きな課題だった。研究者たちは、2つの原子グループを持つシステムのバージョンが、場の勾配を測定できることを実証した。2つの原子集団を異なる場所に置くと、結果として得られる量子状態は、局所的な磁場や重力場の差を反映し、両方の場所に等しく影響する背景ノイズを排除する。
「通常は互換性のない2つのことを同時に行えます。エンタングルメントを使って非常に敏感なセンサーを構築しつつ、任意に大きなノイズに対する堅牢性も持つのです」とClerkは言う。「通常、エンタングルメントは非常に脆弱です。このアプローチには驚くべき回復力があります。」
もう一つの利点：これらの量子状態に保存された情報は、標準的なラムゼー測定技術を使って抽出でき、特殊な方法は不要である。研究者たちはまた、同じプラットフォームが生成できることを示した。