許多最有前途的量子技術，包括先進的感測器和未來的量子計算機，都依賴一種稱為糾纏的現象，即粒子以經典物理學無法解釋的方式深度連接並相互作用。傳統上，創造這些技術所需的複雜糾纏條件需要複雜的設備和精心設計的實驗系統。
芝加哥大學普利茲克分子工程學院 (UChicago PME) 的研究人員現在提出了更簡單的方法。他們的新理論方法可以使用許多量子物理實驗室中已經常見的工具來創建和控制各種複雜的量子態。
作品發表於 物理審查 X它可以幫助推進超精密量子感測，並為探索基礎物理學開闢新的可能性。
芝加哥大學 PME 分子工程學教授、這項新研究的主要作者阿什什·克拉克 (Aashish Clerk) 表示：“我們希望將許多物理平台中常見的簡單組件以最小的方式組合在一起，從而製造出有趣、複雜且強大的東西。”
該研究得到了美國能源部阿貢國家實驗室領導的國家量子資訊科學研究中心（DOE）Q-NEXT的支持。
重新思考腔 QED 系統
該團隊的方法基於腔體的量子電動力學，通常稱為腔 QED。在這些實驗中，原子或其他粒子被放置在光學腔內，光學腔由兩個反射鏡組成，捕捉它們之間的光。然後粒子與腔內的受限光相互作用。
許多腔 QED 系統的一個限制是所有原子都以相同的方式與光相互作用。由於原子實際上是不可區分的，因此可以產生的量子態範圍是有限的。
「挑戰始終是這些系統具有太多的對稱性。所有原子都以相同的方式與光對話，」克拉克說。 “這確實限制了你遇到的複雜情況。”
在典型的腔 QED 配置中，每個原子都有一個由特定能量差分隔的基態和激發態。
研究人員找到了一種降低系統對稱性的簡單方法。雖然所有原子繼續由同一雷射驅動，但使用額外的雷射或磁場來改變不同原子組的激發態能量。原子的排列使得每個原子與另一個能量位移相等但相反的原子配對。
這個簡單的變化允許原子表現出彼此不同的行為，同時保持足夠的結構以使系統可控和可預測。透過改變哪些原子接收特定的能量變化，科學家可以調整系統以創建各種複雜的狀態，而無需改變物理硬體。
「你打開這些雷射並等待，在某個時刻系統會穩定在一個有趣且非常糾纏的量子態，」克拉克小組的博士後研究員、這項新工作的第一作者 Anjun Chu 說。 “通過調整雷射器，我們可以進入沒有人想到的複雜情況。”
建構更好的量子感測器
新方法最有前途的用途之一是量子感測。
理論上，糾纏量子態可以偵測不同位置之間磁場或重力場的非常微小的差異。然而，對噪音高度敏感且具彈性的發展中國家仍然是一項重大挑戰。
研究人員證明，所提出的具有兩組原子的系統的版本可用於測量場梯度。當兩個原子簇放置在不同位置時，產生的量子態反映了局部磁場或重力場之間的差異。同時，它自然地抑制了對兩個位置同樣影響的背景噪音。
「你可以做兩件通常不會互相排斥的事情：使用糾纏來建造一個出色的感測器，但對任意大量的噪音具有魯棒性，」克拉克說。 “通常情況下，糾纏是非常脆弱的。這種方法具有令人驚訝的彈性。”
另一個優點是，可以使用標準拉姆齊測量技術提取儲存在這些量子態中的信息，從而無需專門或奇異的測量方法。
發送之外的應用程式
研究人員也證明，同一台平台可以創造出長期以來引起物理學家興趣的不尋常的量子態。
AKLT 態就是一個例子，這是一種著名的多體糾纏態，首次在 20 世紀 80 年代引入，用於描述不尋常的磁性材料。團隊發現他們相對簡單的設定可以穩定這種情況。除了幫助科學家研究複雜的磁性系統之外，AKLT 態也可能在量子計算中得到應用。
下一步研究
這項工作目前仍處於理論階段，但研究人員已經在與其他小組一起探索可能的實驗測試。
他們也正在研究在系統內排列原子的更複雜的方法，並探索他們的方法可能產生的全方位量子態。
克拉克說：“這些簡單的組件可以創建複雜且有用的量子態，這一事實給了我們希望，在我們實現通用量子計算機的夢想之前，我們可以創建量子態，讓我們能夠做我們在純經典世界中無法做到的事情。”
本材料基於美國能源部科學辦公室國家量子科學研究中心（作為 Q-NEXT 中心的一部分）支持的工作。
