Kwantumtechnologieën, waaronder geavanceerde sensoren en toekomstige kwantumcomputers, zijn afhankelijk van verstrengeling – die spookachtige verbinding waarbij deeltjes elkaar beïnvloeden op manieren die elke klassieke fysicus hoofdpijn bezorgen. Het creëren van deze chique verstrengelde toestanden vereiste traditioneel geavanceerde apparatuur en zorgvuldig ontworpen experimentele systemen, want niets waardevols in de natuurkunde komt gemakkelijk.

Onderzoekers van de Pritzker School of Molecular Engineering van de Universiteit van Chicago (UChicago PME) hebben nu een veel eenvoudigere aanpak voorgesteld. Hun nieuwe theoretische methode kan een breed scala aan verstrengelde kwantumtoestanden genereren en controleren met behulp van gereedschappen die al gebruikelijk zijn in veel kwantumfysica-laboratoria. Het werk, gepubliceerd in Physical Review X, zou kunnen helpen bij het bevorderen van uiterst nauwkeurige kwantumdetectie en nieuwe mogelijkheden openen voor het verkennen van de fundamentele natuurkunde.

“We wilden eenvoudige ingrediënten nemen die je in veel fysieke platforms vindt en deze op een minimale manier samenbrengen om iets interessants, complexs en krachtigs te krijgen,” zei Aashish Clerk, hoogleraar moleculaire engineering aan UChicago PME en senior auteur van de nieuwe studie. Het onderzoek werd ondersteund door Q-NEXT, een nationaal kwantuminformatiewetenschappelijk onderzoekscentrum van het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE), geleid door DOE's Argonne National Laboratory.

De aanpak van het team is gebaseerd op cavity quantum electrodynamics (cavity QED), waarbij atomen in een optische holte worden geplaatst – twee spiegels die licht tussen zich vangen. De deeltjes interageren vervolgens met het opgesloten licht. Het probleem? In veel cavity QED-systemen interageren alle atomen op exact dezelfde manier met licht, waardoor ze effectief niet te onderscheiden zijn en het bereik van kwantumtoestanden dat kan worden geproduceerd, wordt beperkt.

“De uitdaging was altijd dat deze systemen te veel symmetrie hebben,” zei Clerk. “Alle atomen praten op dezelfde manier met licht. Dat beperkt echt wat voor verstrengelde toestanden je krijgt.”

De onderzoekers vonden een eenvoudige oplossing: terwijl alle atomen nog steeds door dezelfde laser worden aangedreven, verschuiven extra lasers of magnetische velden de aangeslagen energieniveaus van verschillende groepen atomen. Elk atoom wordt gekoppeld aan een ander met een gelijke maar tegengestelde energie-offset. Deze eenvoudige aanpassing doorbreekt de symmetrie terwijl het systeem controleerbaar en voorspelbaar blijft. Door aan te passen welke atomen bepaalde energieverschuivingen krijgen, kunnen wetenschappers het systeem afstemmen om een verscheidenheid aan verstrengelde toestanden te produceren zonder de hardware te veranderen.

“Je zet deze lasers aan en wacht, en op een gegeven moment stabiliseert het systeem in een interessante, sterk verstrengelde kwantumtoestand,” zei Anjun Chu, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Clerk en eerste auteur van het nieuwe werk. “Door simpelweg de lasers aan te passen, hebben we toegang tot soorten verstrengelde toestanden waar niemand eerder aan had gedacht.”

Een veelbelovende toepassing is kwantumdetectie. Verstrengelde kwantumtoestanden kunnen kleine verschillen in magnetische of zwaartekrachtvelden tussen afzonderlijke locaties detecteren. Het ontwikkelen van toestanden die zowel zeer gevoelig als bestand tegen ruis zijn, is echter een grote uitdaging geweest. De onderzoekers toonden aan dat een versie van hun systeem met twee groepen atomen veldgradiënten kon meten – wanneer de twee atomaire ensembles op verschillende locaties worden geplaatst, weerspiegelt de resulterende kwantumtoestand het verschil tussen lokale magnetische of zwaartekrachtvelden, terwijl achtergrondruis die beide locaties gelijkelijk beïnvloedt, wordt afgewezen.

“Je kunt twee dingen doen die normaal niet compatibel zijn: verstrengeling gebruiken om een uiterst gevoelige sensor te bouwen, maar ook robuustheid hebben tegen willekeurig grote hoeveelheden ruis,” zei Clerk. “Normaal is verstrengeling erg fragiel. Deze aanpak heeft een verbazingwekkende veerkracht.”

Een ander voordeel: de informatie die in deze kwantumtoestanden is opgeslagen, kan worden geëxtraheerd met standaard Ramsey-meettechnieken, waardoor gespecialiseerde methoden overbodig worden. De onderzoekers toonden ook aan dat hetzelfde platform kan worden gebruikt om de zogenaamde AKLT-toestand te genereren – een theoretisch model dat al tientallen jaren wordt bestudeerd vanwege zijn unieke eigenschappen en verbanden met topologische fasen van materie. “Het is een heel mooi voorbeeld van een kwantumtoestand die al lang wordt bestudeerd in de theoretische natuurkunde, maar nog nooit in een echt systeem is gerealiseerd,” zei Chu. “We laten zien dat je het in een relatief eenvoudige opstelling kunt maken.”

Het werk opent nieuwe wegen voor het creëren van complexe kwantumtoestanden voor zowel fundamenteel onderzoek als praktische toepassingen. “Dit is een nieuwe manier om verstrengeling te genereren die heel anders is dan wat mensen eerder hebben gedaan,” zei Clerk. “Het is een mooi voorbeeld van hoe je met eenvoudige ingrediënten iets heel krachtigs kunt doen.”