Kuantum teknolojileri, gelişmiş sensörler ve gelecekteki kuantum bilgisayarlar da dahil olmak üzere, parçacıkların herhangi bir klasik fizikçiye baş ağrısı verecek şekilde birbirlerini etkilediği o ürkütücü bağlantı olan dolaşıklığa bağlıdır. Bu süslü dolaşık durumları yaratmak geleneksel olarak sofistike ekipman ve özenle tasarlanmış deneysel sistemler gerektiriyordu, çünkü fizikte değerli hiçbir şey kolay gelmez.
Chicago Üniversitesi Pritzker Moleküler Mühendislik Okulu'ndaki (UChicago PME) araştırmacılar şimdi çok daha basit bir yaklaşım önerdiler. Yeni teorik yöntemleri, birçok kuantum fiziği laboratuvarında zaten yaygın olan araçları kullanarak çok çeşitli dolaşık kuantum durumları üretebilir ve kontrol edebilir. Physical Review X'te yayınlanan çalışma, ultra hassas kuantum algılamayı ilerletmeye ve temel fiziği keşfetmek için yeni fırsatlar açmaya yardımcı olabilir.
"Birçok fiziksel platformda bulunan basit malzemeleri alıp bunları minimal bir şekilde bir araya getirerek ilginç, karmaşık ve güçlü bir şey elde etmek istedik," dedi UChicago PME'de moleküler mühendislik profesörü ve yeni çalışmanın kıdemli yazarı Aashish Clerk. Araştırma, DOE'nin Argonne Ulusal Laboratuvarı tarafından yönetilen bir ABD Enerji Bakanlığı (DOE) Ulusal Kuantum Bilgi Bilimi Araştırma Merkezi olan Q-NEXT tarafından desteklendi.
Ekibin yaklaşımı, atomların optik bir boşluğun (aralarında ışığı hapseden iki ayna) içine yerleştirildiği boşluk kuantum elektrodinamiğine (boşluk QED) dayanmaktadır. Parçacıklar daha sonra hapsolmuş ışıkla etkileşime girer. Sorun mu? Birçok boşluk QED sisteminde, tüm atomlar ışıkla tamamen aynı şekilde etkileşime girerek onları etkili bir şekilde ayırt edilemez kılar ve üretilebilecek kuantum durumlarının aralığını kısıtlar.
"Zorluk her zaman bu sistemlerin çok fazla simetriye sahip olmasıydı," dedi Clerk. "Tüm atomlar ışıkla aynı şekilde konuşuyor. Bu, elde ettiğiniz dolaşık durum türlerini gerçekten kısıtlıyor."
Araştırmacılar basit bir düzeltme buldular: tüm atomlar aynı lazer tarafından sürülmeye devam ederken, ek lazerler veya manyetik alanlar farklı atom gruplarının uyarılmış durum enerjilerini kaydırıyor. Her atom, eşit ancak zıt bir enerji ofsetine sahip başka bir atomla eşleştiriliyor. Bu basit değişiklik, sistemi kontrol edilebilir ve öngörülebilir tutarken simetriyi kırıyor. Bilim insanları, hangi atomların belirli enerji kaymalarını aldığını ayarlayarak, donanımı değiştirmeden çeşitli dolaşık durumlar üretmek için sistemi ayarlayabilirler.
"Bu lazerleri açıyorsunuz ve bekliyorsunuz ve bir noktada sistem ilginç, yüksek oranda dolaşık bir kuantum durumuna stabilize oluyor," dedi Clerk grubunda doktora sonrası araştırmacı ve yeni çalışmanın ilk yazarı Anjun Chu. "Sadece lazerleri ayarlayarak, daha önce kimsenin düşünmediği türden dolaşık durumlara erişebiliyoruz."
Umul verici bir uygulama kuantum algılamadır. Dolaşık kuantum durumları, ayrı konumlar arasındaki manyetik veya yerçekimi alanlarındaki küçük farklılıkları tespit edebilir. Bununla birlikte, hem yüksek hassasiyete sahip hem de gürültüye dayanıklı durumlar geliştirmek büyük bir zorluk olmuştur. Araştırmacılar, iki atom grubuna sahip sistemlerinin bir versiyonunun alan gradyanlarını ölçebildiğini gösterdiler - iki atom topluluğu farklı yerlere yerleştirildiğinde, ortaya çıkan kuantum durumu, her iki konumu da eşit şekilde etkileyen arka plan gürültüsünü reddederken yerel manyetik veya yerçekimi alanları arasındaki farkı yansıtır.
"Normalde birbiriyle uyumlu olmayan iki şeyi yapabiliyorsunuz: son derece hassas bir sensör oluşturmak için dolaşıklığı kullanmak ama aynı zamanda keyfi olarak büyük miktarda gürültüye karşı sağlamlığa sahip olmak," dedi Clerk. "Normalde dolaşıklık çok kırılgandır. Bu yaklaşım inanılmaz bir esnekliğe sahip."
Başka bir avantaj: bu kuantum durumlarında depolanan bilgi, standart Ramsey ölçüm teknikleri kullanılarak çıkarılabilir, böylece özel yöntemlere olan ihtiyaç ortadan kalkar. Araştırmacılar ayrıca aynı platformun gen