Квантовые технологии, включая передовые сенсоры и будущие квантовые компьютеры, зависят от запутанности — той жуткой связи, где частицы влияют друг на друга так, что у любого классического физика разболится голова. Создание этих причудливых запутанных состояний традиционно требовало сложного оборудования и тщательно спроектированных экспериментальных систем, потому что ничего стоящего в физике не даётся легко.
Исследователи из Школы молекулярной инженерии им. Притцкера Чикагского университета (UChicago PME) теперь предложили гораздо более простой подход. Их новый теоретический метод может генерировать и контролировать широкий спектр запутанных квантовых состояний, используя инструменты, которые уже распространены во многих лабораториях квантовой физики. Работа, опубликованная в Physical Review X, может помочь продвинуть сверхточное квантовое зондирование и открыть новые возможности для изучения фундаментальной физики.
«Мы хотели взять простые ингредиенты, которые есть во многих физических платформах, и объединить их минимальным образом, чтобы получить что-то интересное, сложное и мощное», — сказал Аашиш Клерк, профессор молекулярной инженерии в UChicago PME и старший автор нового исследования. Исследование поддержано Q-NEXT, Национальным центром квантовых информационных наук Министерства энергетики США (DOE), возглавляемым Аргоннской национальной лабораторией DOE.
Подход команды основан на квантовой электродинамике резонатора (cavity QED), где атомы помещаются внутрь оптического резонатора — двух зеркал, которые удерживают свет между ними. Затем частицы взаимодействуют с заключённым светом. Проблема? Во многих системах cavity QED все атомы взаимодействуют со светом одинаково, что делает их фактически неразличимыми и ограничивает диапазон квантовых состояний, которые можно получить.
«Проблема всегда заключалась в том, что эти системы обладают слишком большой симметрией», — сказал Клерк. «Все атомы общаются со светом одинаково. Это сильно ограничивает, какие запутанные состояния вы получаете».
Исследователи нашли простое решение: хотя все атомы по-прежнему управляются одним и тем же лазером, дополнительные лазеры или магнитные поля сдвигают энергии возбуждённых состояний разных групп атомов. Каждый атом спаривается с другим, имеющим равный, но противоположный энергетический сдвиг. Эта простая модификация нарушает симметрию, сохраняя при этом систему управляемой и предсказуемой. Регулируя, какие атомы получают определённые энергетические сдвиги, учёные могут настраивать систему для получения различных запутанных состояний без изменения аппаратного обеспечения.
«Вы включаете эти лазеры и ждёте, и в какой-то момент система стабилизируется в интересном, сильно запутанном квантовом состоянии», — сказал Анжун Чу, постдокторант в группе Клерка и первый автор новой работы. «Просто регулируя лазеры, мы можем получать такие запутанные состояния, о которых раньше никто не думал».
Одно из многообещающих применений — квантовое зондирование. Запутанные квантовые состояния могут обнаруживать крошечные различия в магнитных или гравитационных полях между разными местами. Однако разработка состояний, которые одновременно обладают высокой чувствительностью и устойчивостью к шуму, была серьёзной проблемой. Исследователи продемонстрировали, что версия их системы с двумя группами атомов может измерять градиенты поля — когда два атомных ансамбля помещаются в разные места, результирующее квантовое состояние отражает разницу между локальными магнитными или гравитационными полями, отвергая фоновый шум, который одинаково влияет на оба места.
«Вы можете делать две вещи, которые обычно несовместимы: использовать запутанность для создания чрезвычайно чувствительного сенсора, но также иметь устойчивость к произвольно большому шуму», — сказал Клерк. «Обычно запутанность очень хрупкая. Этот подход обладает удивительной устойчивостью».
Ещё одно преимущество: информацию, хранящуюся в этих квантовых состояниях, можно извлекать с помощью стандартных методов измерения Рэмси, что устраняет необходимость в специализированных методах. Исследователи также показали, что та же платформа может генерировать