Kvantteknologier, inklusive avancerade sensorer och framtida kvantdatorer, är beroende av sammanflätning – den där kusliga kopplingen där partiklar påverkar varandra på sätt som skulle ge vilken klassisk fysiker som helst huvudvärk. Att skapa dessa fina sammanflätade tillstånd har traditionellt krävt sofistikerad utrustning och noggrant designade experimentsystem, för inget värt besväret inom fysik kommer lätt.

Forskare vid University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) har nu föreslagit ett mycket enklare tillvägagångssätt. Deras nya teoretiska metod kan generera och kontrollera ett brett spektrum av sammanflätade kvanttillstånd med hjälp av verktyg som redan är vanliga i många kvantfysiklaboratorier. Arbetet, publicerat i Physical Review X, kan bidra till att utveckla ultraprecisa kvantsensorer och öppna nya möjligheter för att utforska grundläggande fysik.

”Vi ville ta enkla ingredienser som finns i många fysiska plattformar och sätta ihop dem på ett minimalt sätt för att få något intressant, komplext och kraftfullt”, säger Aashish Clerk, professor i molekylär ingenjörskonst vid UChicago PME och senior författare till den nya studien. Forskningen stöddes av Q-NEXT, ett nationellt kvantinformationsvetenskapligt forskningscenter under USA:s energidepartement (DOE) lett av DOE:s Argonne National Laboratory.

Teamets tillvägagångssätt bygger på kavitetskvantelektrodynamik (kavitet QED), där atomer placeras inuti en optisk kavitet – två speglar som fångar ljus mellan sig. Partiklarna interagerar sedan med det instängda ljuset. Problemet? I många kavitet QED-system interagerar alla atomer med ljus på exakt samma sätt, vilket gör dem i praktiken oskiljbara och begränsar utbudet av kvanttillstånd som kan produceras.

”Utmaningen har alltid varit att dessa system har för mycket symmetri”, säger Clerk. ”Alla atomer pratar med ljus på samma sätt. Det begränsar verkligen vilka typer av sammanflätade tillstånd du får.”

Forskarna fann en enkel lösning: medan alla atomer fortfarande drivs av samma laser, skiftar ytterligare lasrar eller magnetfält excitationsenerginivåerna för olika grupper av atomer. Varje atom paras ihop med en annan som har en lika stor men motsatt energiförskjutning. Denna enkla modifiering bryter symmetrin samtidigt som systemet förblir kontrollerbart och förutsägbart. Genom att justera vilka atomer som får specifika energiskift kan forskare ställa in systemet för att producera en mängd olika sammanflätade tillstånd utan att ändra hårdvaran.

”Du slår på dessa lasrar och väntar, och vid någon tidpunkt stabiliseras systemet i ett intressant, starkt sammanflätat kvanttillstånd”, säger Anjun Chu, postdoktor i Clerk-gruppen och första författare till det nya arbetet. ”Genom att helt enkelt justera lasrarna kan vi få tillgång till typer av sammanflätade tillstånd som ingen hade tänkt på tidigare.”

En lovande tillämpning är kvantsensorik. Sammanflätade kvanttillstånd kan detektera små skillnader i magnetiska eller gravitationsfält mellan olika platser. Att utveckla tillstånd som både är mycket känsliga och motståndskraftiga mot brus har dock varit en stor utmaning. Forskarna visade att en version av deras system med två grupper av atomer kunde mäta fältgradienter – när de två atomgrupperna placeras på olika platser reflekterar det resulterande kvanttillståndet skillnaden mellan lokala magnetiska eller gravitationsfält samtidigt som det avvisar bakgrundsbrus som påverkar båda platserna lika.

”Du kan göra två saker som normalt inte är kompatibla med varandra: använda sammanflätning för att bygga en ytterst känslig sensor men också ha robusthet mot godtyckligt stora mängder brus”, säger Clerk. ”Normalt är sammanflätning mycket skör. Detta tillvägagångssätt har en fantastisk motståndskraft.”

En annan fördel: informationen som lagras i dessa kvanttillstånd kan extraheras med standard Ramsey-mättekniker, vilket eliminerar behovet av specialiserade metoder. Forskarna visade också att samma plattform kan generera