量子技术，包括先进传感器和未来的量子计算机，都依赖于纠缠——那种粒子之间相互影响的诡异联系，足以让任何经典物理学家头疼。传统上，制造这些花哨的纠缠态需要精密设备和精心设计的实验系统，因为物理学中没有任何有价值的东西是容易得来的。
芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）的研究人员现在提出了一种简单得多的方法。他们的新理论方法可以利用许多量子物理实验室中已经常见的工具，生成并控制各种纠缠量子态。这项研究发表在《物理评论X》上，可能有助于推进超精密量子传感，并为探索基础物理学开辟新机遇。
“我们想用许多物理平台中常见的简单成分，以最简方式组合，得到有趣、复杂且强大的东西，”UChicago PME分子工程教授、新研究的资深作者Aashish Clerk说。这项研究得到了Q-NEXT的支持，Q-NEXT是美国能源部（DOE）国家量子信息科学研究中心，由DOE的阿贡国家实验室领导。
该团队的方法基于腔量子电动力学（腔QED），其中原子被放置在光学腔中——两个镜子将光困在它们之间。然后粒子与受限光相互作用。问题在于？在许多腔QED系统中，所有原子都以完全相同的方式与光相互作用，使它们实际上无法区分，从而限制了可以产生的量子态范围。
“挑战一直在于这些系统有太多对称性，”Clerk说。“所有原子都以相同方式与光对话。这严重限制了你能得到什么样的纠缠态。”
研究人员找到了一个简单的解决方法：虽然所有原子继续被同一激光驱动，但额外的激光或磁场会改变不同原子组的激发态能量。每个原子与另一个具有相等但相反能量偏移的原子配对。这种简单的修改打破了对称性，同时保持系统可控和可预测。通过调整哪些原子获得特定的能量偏移，科学家可以调谐系统以产生各种纠缠态，而无需改变硬件。
“你打开这些激光并等待，在某个时刻系统稳定成一个有趣的高度纠缠量子态，”Clerk小组的博士后研究员、新工作的第一作者Anjun Chu说。“只需调整激光，我们就可以访问以前没人想过的纠缠态。”
一个很有前景的应用是量子传感。纠缠量子态可以检测不同位置之间磁场或引力场的微小差异。然而，开发既高度敏感又抗噪声的态一直是一个重大挑战。研究人员证明，他们系统的一个版本（有两组原子）可以测量场梯度——当两个原子系综放置在不同位置时，产生的量子态反映了局部磁场或引力场之间的差异，同时抑制了影响两个位置的背景噪声。
“你能够做两件通常不兼容的事情：利用纠缠构建一个极其灵敏的传感器，同时还能对任意大的噪声具有鲁棒性，”Clerk说。“通常，纠缠非常脆弱。这种方法具有惊人的韧性。”
另一个优势：这些量子态中存储的信息可以使用标准的Ramsey测量技术提取，无需专门方法。研究人员还表明，同一平台可以生成AKLT态——一种具有拓扑序的纠缠态，对局部扰动具有鲁棒性。