Физики из Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета предложили новый теоретический метод создания и контроля запутанных квантовых состояний. Разработка, описание которой опубликовано в журнале Physical Review X, позволяет упростить получение сложных квантовых систем с помощью стандартного лабораторного оборудования. По мнению авторов работы, это может значительно ускорить создание сверхчувствительных квантовых датчиков и упростить фундаментальные исследования в области квантовой физики.
Квантовая запутанность, при которой частицы остаются тесно связанными и влияют друг на друга независимо от расстояния, лежит в основе большинства перспективных квантовых технологий. Однако получение таких состояний традиционно требует сложного оборудования и ювелирной настройки экспериментальных систем. Главной трудностью при использовании стандартного метода – полостной квантовой электродинамики – всегда была избыточная симметрия. В подобных установках атомы помещаются в оптический резонатор между двумя зеркалами, где они абсолютно одинаково взаимодействуют с запертым внутри светом. Эта неразличимость атомов жестко ограничивает спектр квантовых состояний, которые физики могут получить на практике.
Американские исследователи нашли способ обойти это ограничение, искусственно снизив симметрию системы без усложнения ее физической структуры. В предложенной модели атомы по-прежнему освещаются общим лазером, однако дополнительные лазерные лучи или магнитные поля точечно сдвигают уровни энергии возбуждения у разных групп частиц. Атомы распределяются таким образом, чтобы каждый из них имел пару с равным, но противоположным по знаку энергетическим сдвигом. В результате частицы начинают вести себя по-разному, но сама система сохраняет предсказуемость и управляемость. Для изменения типа получаемой квантовой запутанности ученым достаточно скорректировать параметры лазеров, не меняя аппаратную часть установки.
Одним из главных направлений применения нового метода может стать квантовое сенсорирование. Запутанные частицы способны реагировать на тончайшие колебания магнитных или гравитационных полей, но такие системы обычно крайне чувствительны к внешнему шуму. Модель чикагских физиков решает эту проблему. При разделении атомов на две группы в разных точках пространства система может измерять разность гравитационных потенциалов или магнитных полей, автоматически отсекая фоновый шум, который одинаково воздействует на обе группы. При этом считывать информацию можно с помощью стандартных методик спектроскопии Рамзея.
Помимо сенсоров, предложенная платформа позволяет получать редкие многочастичные состояния, представляющие интерес для фундаментальной науки. В частности, исследователи доказали принципиальную возможность стабилизации состояния АКЛТ, которое описывает поведение необычных магнитных материалов и может быть использовано в квантовых вычислениях. В настоящее время проект остается теоретическим, однако авторы уже ведут переговоры с экспериментальными лабораториями для практической проверки своей модели.
