Природа подсунула ученым идеальную симметрию, которая 40 лет мешала строить квантовые датчики
Простое смещение энергий у разных групп атомов позволило создать запутанные режимы, полезные для датчиков и будущих квантовых устройств.
Квантовые технологии часто упираются не в громкие обещания, а в скучную лабораторную реальность. Чтобы сделать сверхточный датчик или полезный квантовый компьютер, физикам нужны сложные запутанные состояния, где частицы ведут себя как единая система. Обычно для таких состояний приходится строить тонко настроенные установки с множеством компонентов. Группа из Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета предложила другой путь, почти вызывающе простой по меркам квантовой физики.
Теоретическую работу опубликовал журнал Physical Review X. Авторы показали, что широкий набор запутанных квантовых состояний можно получать с помощью инструментов, которые уже стоят во многих лабораториях. Подход может пригодиться для сверхточных датчиков, фундаментальных экспериментов и, в перспективе, некоторых задач квантовых вычислений.
«Мы хотели взять простые компоненты, которые можно найти во многих физических платформах, и объединить их минимальным способом, чтобы получить нечто интересное, сложное и мощное», сказал профессор молекулярной инженерии Аашиш Клерк, старший автор исследования.
В основе идеи лежит резонаторная квантовая электродинамика. В таких установках атомы или другие частицы помещают внутрь оптического резонатора, камеры между двумя зеркалами. Свет многократно отражается внутри резонатора и взаимодействует с частицами. Метод хорошо известен, но у классической схемы есть ограничение. Все атомы обычно взаимодействуют со светом одинаково, а такая симметрия резко сужает набор состояний, которые может создать система.
Клерк объясняет проблему просто. Когда все атомы выглядят для света одинаково, установка теряет возможность различать частицы и собирать из них более сложные формы квантовой запутанности. Для физиков симметрия часто служит подарком, но в данном случае подарок оказался с инструкцией на 400 страниц и половиной недостающих деталей, как человечество любит.
Команда предложила нарушить симметрию без перестройки всей установки. Все атомы по-прежнему возбуждает общий лазер, но дополнительные лазеры или магнитное поле меняют энергию возбужденных состояний у разных групп атомов. Исследователи подбирают смещения так, чтобы каждому атому соответствовал другой атом с равным, но противоположным сдвигом энергии.
Такой прием делает атомы разными, но оставляет системе достаточно порядка, чтобы поведение можно было предсказывать. Физикам не нужно менять зеркала, геометрию резонатора или собирать новый прибор. Достаточно менять распределение энергий между атомами с помощью лазеров.
«Вы включаете эти лазеры и ждете, и в какой-то момент система стабилизируется, переходя в интересное, сильно запутанное квантовое состояние», сказал Аньджун Чу, первый автор работы и научный сотрудник группы Клерка. По словам Чу, простая настройка лазеров открывает доступ к запутанным состояниям, о которых раньше почти не думали.
Одно из самых понятных применений связано с квантовыми датчиками. Запутанные состояния теоретически позволяют замечать крошечные различия в магнитных или гравитационных полях между двумя точками. На практике физики давно сталкиваются с неприятной связкой. Чем чувствительнее запутанное состояние, тем легче шум разрушает полезный сигнал.
Клерк, Чу и коллеги показали, что предложенная схема может обойти часть этой проблемы. В одном варианте установка работает с двумя ансамблями атомов, расположенными в разных местах. Итоговое квантовое состояние отражает разницу между локальными полями, но почти не реагирует на общий фоновый шум, который одинаково действует на оба участка.
«Вы можете делать две вещи, которые обычно несовместимы друг с другом: использовать квантовую запутанность для создания исключительно чувствительного датчика, а также обеспечить устойчивость к произвольно большим уровням шума», сказал Клерк. По его словам, запутанность обычно очень хрупка, а предложенный подход неожиданно устойчив.
Еще одно практическое преимущество связано со считыванием результата. Для работы с такими состояниями не нужны экзотические методы измерения. Подойдут стандартные измерения Рамсея, которые давно используют в квантовой физике. Для лабораторий такая деталь важна сильнее красивых обещаний, потому что редкая экспериментальная группа мечтает усложнить себе жизнь просто ради спортивного интереса.
Платформа может пригодиться не только для датчиков. Авторы показали, что та же схема способна стабилизировать состояние AKLT, известное многочастичное запутанное состояние, впервые описанное в 1980-х годах для объяснения необычных магнитных материалов. Физики изучают такие состояния из-за связи с квантовыми материалами и возможных применений в квантовых вычислениях.
Пока работа остается теоретической. Исследователи уже обсуждают проверку идеи с экспериментальными группами и изучают более сложные варианты расположения атомов. Команда также пытается полнее описать весь набор квантовых состояний, который можно получить новым методом.
Клерк считает главным результатом не отдельную схему, а сам принцип. Простые компоненты, которые уже есть в лабораториях, могут создавать сложные и полезные квантовые состояния. До универсального квантового компьютера физике еще далеко, но такие методы могут дать технологии, которые невозможно повторить в обычном классическом мире.