Tehnologiile cuantice, inclusiv senzorii avansați și viitoarele computere cuantice, depind de încâlcire – acea conexiune înfricoșătoare în care particulele se influențează reciproc în moduri care i-ar da oricărui fizician clasic o durere de cap. Crearea acestor stări încâlcite sofisticate a necesitat în mod tradițional echipamente sofisticate și sisteme experimentale atent concepute, pentru că nimic valoros în fizică nu vine ușor.
Cercetătorii de la Școala de Inginerie Moleculară Pritzker a Universității din Chicago (UChicago PME) au propus acum o abordare mult mai simplă. Noua lor metodă teoretică poate genera și controla o gamă largă de stări cuantice încâlcite folosind instrumente care sunt deja comune în multe laboratoare de fizică cuantică. Lucrarea, publicată în Physical Review X, ar putea ajuta la avansarea detectării cuantice ultra-precise și la deschiderea de noi oportunități pentru explorarea fizicii fundamentale.
„Am vrut să luăm ingrediente simple pe care le găsești în multe platforme fizice și să le combinăm într-un mod minim pentru a obține ceva interesant, complex și puternic”, a spus Aashish Clerk, profesor de inginerie moleculară la UChicago PME și autor principal al noului studiu. Cercetarea a fost susținută de Q-NEXT, un Centru Național de Cercetare a Științei Informației Cuantice al Departamentului de Energie al SUA (DOE) condus de Laboratorul Național Argonne al DOE.
Abordarea echipei se bazează pe electrodinamica cuantică a cavității (cavity QED), unde atomii sunt plasați în interiorul unei cavități optice – două oglinzi care captează lumina între ele. Particulele interacționează apoi cu lumina confinată. Problema? În multe sisteme cavity QED, toți atomii interacționează cu lumina exact în același mod, făcându-i efectiv imposibil de distins și restricționând gama de stări cuantice care pot fi produse.
„Provocarea a fost întotdeauna că aceste sisteme au prea multă simetrie”, a spus Clerk. „Toți atomii vorbesc cu lumina în același mod. Asta restricționează cu adevărat ce fel de stări încâlcite obții.”
Cercetătorii au găsit o soluție simplă: în timp ce toți atomii continuă să fie acționați de același laser, lasere suplimentare sau câmpuri magnetice deplasează energiile stărilor excitate ale diferitelor grupuri de atomi. Fiecare atom este asociat cu un altul care are o compensare energetică egală, dar opusă. Această modificare simplă rupe simetria, păstrând în același timp sistemul controlabil și previzibil. Prin ajustarea căror atomi li se aplică anumite deplasări energetice, oamenii de știință pot regla sistemul pentru a produce o varietate de stări încâlcite fără a schimba hardware-ul.
„Pornești aceste lasere și aștepți, iar la un moment dat sistemul se stabilizează într-o stare cuantică interesantă, puternic încâlcită”, a spus Anjun Chu, cercetător postdoctoral în grupul Clerk și primul autor al noii lucrări. „Prin simpla ajustare a laserelor, putem accesa tipuri de stări încâlcite la care nimeni nu se gândise înainte.”
O aplicație promițătoare este detectarea cuantică. Stările cuantice încâlcite pot detecta diferențe minuscule în câmpurile magnetice sau gravitaționale între locații separate. Cu toate acestea, dezvoltarea unor stări care sunt atât extrem de sensibile, cât și rezistente la zgomot a fost o provocare majoră. Cercetătorii au demonstrat că o versiune a sistemului lor cu două grupuri de atomi ar putea măsura gradienți de câmp – atunci când cele două ansambluri atomice sunt plasate în locații diferite, starea cuantică rezultată reflectă diferența dintre câmpurile magnetice sau gravitaționale locale, respingând în același timp zgomotul de fond care afectează ambele locații în mod egal.
„Ești capabil să faci două lucruri care nu sunt în mod normal compatibile unul cu celălalt: să folosești încâlcirea pentru a construi un senzor extrem de sensibil, dar și să ai robustețe la cantități arbitrar de mari de zgomot”, a spus Clerk. „În mod normal, încâlcirea este foarte fragilă. Această abordare are o reziliență uimitoare.”
Un alt avantaj: informațiile stocate în aceste stări cuantice pot fi extrase folosind tehnici standard de măsurare Ramsey, eliminând necesitatea unor metode specializate. Cercetătorii au arătat, de asemenea, că aceeași platformă poate genera