Technologie kwantowe, w tym zaawansowane czujniki i przyszłe komputery kwantowe, opierają się na splątaniu – tej upiornej więzi, gdzie cząstki wpływają na siebie w sposób, który każdemu klasycznemu fizykowi przyprawiłby o ból głowy. Tworzenie tych wymyślnych stanów splątanych tradycyjnie wymagało wyrafinowanego sprzętu i starannie zaprojektowanych układów doświadczalnych, bo w fizyce nic wartościowego nie przychodzi łatwo.

Naukowcy z University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) zaproponowali teraz znacznie prostsze podejście. Ich nowa teoretyczna metoda pozwala generować i kontrolować szeroki zakres splątanych stanów kwantowych przy użyciu narzędzi, które są już powszechne w wielu laboratoriach fizyki kwantowej. Praca opublikowana w Physical Review X może pomóc w rozwoju ultraprecyzyjnych czujników kwantowych i otworzyć nowe możliwości badania podstaw fizyki.

„Chcieliśmy wziąć proste składniki, które znajdują się w wielu platformach fizycznych, i połączyć je w minimalny sposób, aby uzyskać coś interesującego, złożonego i potężnego” – powiedział Aashish Clerk, profesor inżynierii molekularnej na UChicago PME i starszy autor nowego badania. Badania były wspierane przez Q-NEXT, amerykański Departament Energii (DOE) National Quantum Information Science Research Center kierowany przez Argonne National Laboratory.

Podejście zespołu opiera się na elektrodynamice kwantowej wnęk (cavity QED), gdzie atomy umieszcza się we wnęce optycznej – dwóch lustrach, które uwięziają światło między sobą. Cząstki oddziałują następnie z uwięzionym światłem. Problem? W wielu układach cavity QED wszystkie atomy oddziałują ze światłem dokładnie w ten sam sposób, co czyni je praktycznie nierozróżnialnymi i ogranicza zakres stanów kwantowych, które można wytworzyć.

„Wyzwaniem zawsze było to, że te układy mają zbyt dużą symetrię” – powiedział Clerk. „Wszystkie atomy rozmawiają ze światłem w ten sam sposób. To naprawdę ogranicza rodzaje stanów splątanych, które otrzymujesz”.

Naukowcy znaleźli prosty sposób na obejście tego: podczas gdy wszystkie atomy są nadal napędzane tym samym laserem, dodatkowe lasery lub pola magnetyczne przesuwają energie stanów wzbudzonych różnych grup atomów. Każdy atom jest sparowany z innym, który ma równy, ale przeciwny offset energetyczny. Ta prosta modyfikacja przełamuje symetrię, zachowując jednocześnie sterowalność i przewidywalność układu. Dostosowując, które atomy otrzymują określone przesunięcia energii, naukowcy mogą dostroić układ do wytwarzania różnych stanów splątanych bez zmiany sprzętu.

„Włączasz te lasery i czekasz, a w pewnym momencie układ stabilizuje się w interesującym, wysoce splątanym stanie kwantowym” – powiedział Anjun Chu, doktorant w grupie Clerka i pierwszy autor nowej pracy. „Po prostu dostosowując lasery, możemy uzyskać rodzaje stanów splątanych, o których nikt wcześniej nie myślał”.

Jednym z obiecujących zastosowań jest wykrywanie kwantowe. Splątane stany kwantowe mogą wykrywać niewielkie różnice w polach magnetycznych lub grawitacyjnych między oddzielnymi lokalizacjami. Jednak opracowanie stanów, które są zarówno bardzo czułe, jak i odporne na szumy, było poważnym wyzwaniem. Naukowcy wykazali, że wersja ich układu z dwiema grupami atomów może mierzyć gradienty pola – gdy dwa zespoły atomowe umieszczone są w różnych miejscach, powstały stan kwantowy odzwierciedla różnicę między lokalnymi polami magnetycznymi lub grawitacyjnymi, odrzucając szum tła, który wpływa na obie lokalizacje jednakowo.

„Jesteś w stanie zrobić dwie rzeczy, które normalnie nie są ze sobą kompatybilne: użyć splątania do zbudowania niezwykle czułego czujnika, ale także zachować odporność na dowolnie duże ilości szumu” – powiedział Clerk. „Normalnie splątanie jest bardzo kruche. To podejście ma niesamowitą odporność”.

Kolejną zaletą jest to, że informacje przechowywane w tych stanach kwantowych można odczytać za pomocą standardowych technik pomiarowych Ramseya, co eliminuje potrzebę stosowania specjalistycznych metod. Naukowcy pokazali również, że ta sama platforma może generować