Πολλές υποσχόμενες κβαντικές τεχνολογίες, συμπεριλαμβανομένων των προηγμένων αισθητήρων και των μελλοντικών κβαντικών υπολογιστών, βασίζονται σε ένα φαινόμενο γνωστό ως εμπλοκή, όπου τα σωματίδια συνδέονται βαθιά και επηρεάζουν το ένα το άλλο με τρόπους που δεν μπορούν να εξηγηθούν από την κλασική φυσική. Η δημιουργία των πολύπλοκων πολύπλοκων καταστάσεων που απαιτούνται από αυτές τις τεχνολογίες απαιτεί παραδοσιακά εξελιγμένο εξοπλισμό και προσεκτικά σχεδιασμένα πειραματικά συστήματα.
Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) έχουν τώρα προτείνει μια απλούστερη προσέγγιση. Η νέα τους θεωρητική προσέγγιση μπορεί να δημιουργήσει και να ελέγξει ένα ευρύ φάσμα κβαντικών καταστάσεων χρησιμοποιώντας εργαλεία ήδη κοινά σε πολλά εργαστήρια κβαντικής φυσικής.
Έργα, δημοσιευμένα Φυσική εξέταση xΘα μπορούσε να βοηθήσει στην προώθηση της εξαιρετικά ακριβούς κβαντικής ανίχνευσης και να ανοίξει νέες ευκαιρίες για την εξερεύνηση της θεμελιώδης φυσικής.
«Θέλαμε να συνδυάσουμε κοινά στοιχεία που βρίσκεις σε πολλές φυσικές πλατφόρμες και να τα συνδυάσουμε με ελάχιστο τρόπο για να έχουμε κάτι ενδιαφέρον, περίπλοκο και ισχυρό», δήλωσε ο Ashish Clark, καθηγητής μοριακής μηχανικής στο UChicago PME και ανώτερος συγγραφέας της νέας μελέτης.
Η έρευνα υποστηρίχθηκε από το Q-NEXT, ένα Εθνικό Ερευνητικό Κέντρο Κβαντικής Επιστήμης Πληροφοριών του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE) με επικεφαλής το Εθνικό Εργαστήριο Argonne της DOE.
Επανεξέταση του συστήματος QED κοιλότητας
Η μέθοδος της ομάδας βασίζεται στην κβαντική ηλεκτροδυναμική κοιλότητας, κοινώς γνωστή ως QED κοιλότητας. Σε αυτά τα πειράματα, άτομα ή άλλα σωματίδια τοποθετούνται μέσα σε μια οπτική κοιλότητα, η οποία περιέχει δύο καθρέφτες που παγιδεύουν το φως ανάμεσά τους. Στη συνέχεια, τα σωματίδια αλληλεπιδρούν με το φως που περιορίζεται μέσα στην κοιλότητα.
Ένας περιορισμός πολλών συστημάτων QED κοιλότητας είναι ότι όλα τα άτομα αλληλεπιδρούν με το φως με τον ίδιο ακριβώς τρόπο. Επειδή τα άτομα είναι ουσιαστικά δυσδιάκριτα, το εύρος των κβαντικών καταστάσεων που μπορούν να παραχθούν είναι περιορισμένο.
“Η πρόκληση ήταν πάντα ότι αυτά τα συστήματα έχουν πολύ υψηλή συμμετρία. Όλα τα άτομα μιλούν στο φως με τον ίδιο τρόπο”, είπε ο Clark. «Πραγματικά περιορίζει το είδος των συνθηκών συγκέντρωσης που έχετε».
Σε μια τυπική διάταξη QED κοιλότητας, κάθε άτομο έχει μια θεμελιώδη κατάσταση και μια διεγερμένη κατάσταση που χωρίζονται από μια σταθερή διαφορά ενέργειας.
Οι ερευνητές βρήκαν έναν απλό τρόπο για να μειώσουν τη συμμετρία του συστήματος. Αν και όλα τα άτομα οδηγούνται από το ίδιο λέιζερ, χρησιμοποιούνται πρόσθετα λέιζερ ή μαγνητικά πεδία για να μετατοπίσουν την ενέργεια των διεγερμένων καταστάσεων διαφορετικών ομάδων ατόμων. Τα άτομα είναι διατεταγμένα έτσι ώστε το καθένα να ζευγαρώνεται με ένα άλλο άτομο με ίση αλλά αντίθετη ενεργειακή μετατόπιση.
Αυτή η απλή αλλαγή επιτρέπει στα άτομα να συμπεριφέρονται διαφορετικά το ένα από το άλλο, διατηρώντας παράλληλα αρκετή δομή ώστε το σύστημα να παραμένει ελεγχόμενο και προβλέψιμο. Αλλάζοντας ποια άτομα ασκούν συγκεκριμένες ενεργειακές αλλαγές, οι επιστήμονες μπορούν να συντονίσουν το σύστημα για να δημιουργήσουν διαφορετικούς τύπους μπερδεμένων καταστάσεων χωρίς να αλλάξουν το φυσικό υλικό.
«Ενεργοποιείς αυτά τα λέιζερ και περιμένεις και κάποια στιγμή το σύστημα σταθεροποιείται σε μια ενδιαφέρουσα, εξαιρετικά συγκεντρωμένη κβαντική κατάσταση», είπε ο Anjun Chu, μεταδιδακτορικός ερευνητής στην ομάδα Clark και πρώτος συγγραφέας της νέας εργασίας. «Απλώς ρυθμίζοντας τα λέιζερ, μπορούμε να έχουμε πρόσβαση σε τύπους εμπλοκής που κανείς δεν έχει σκεφτεί πριν».
Ανάπτυξη προηγμένων κβαντικών αισθητήρων
Μία από τις πιο πολλά υποσχόμενες χρήσεις της νέας μεθόδου είναι η κβαντική ανίχνευση.
Θεωρητικά, οι μπερδεμένες κβαντικές καταστάσεις θα μπορούσαν να ανιχνεύσουν εξαιρετικά μικρές διαφορές στα μαγνητικά πεδία ή στα βαρυτικά πεδία μεταξύ μεμονωμένων τοποθεσιών. Ωστόσο, οι αναπτυσσόμενες χώρες που είναι τόσο ευαίσθητες όσο και ανθεκτικές στον θόρυβο αποτελούν σημαντική πρόκληση.
Οι ερευνητές έδειξαν ότι μια έκδοση του προτεινόμενου συστήματος στην οποία υπάρχουν δύο ομάδες ατόμων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση των κλίσεων πεδίου. Όταν δύο ατομικές εμπλοκές τοποθετούνται σε διαφορετικές θέσεις, η κβαντική κατάσταση που προκύπτει αντανακλά τη διαφορά στο τοπικό μαγνητικό ή βαρυτικό πεδίο. Ταυτόχρονα, απορρίπτει φυσικά τον θόρυβο του περιβάλλοντος που επηρεάζει εξίσου και τις δύο θέσεις.
«Μπορείς να κάνεις δύο πράγματα που κανονικά δεν είναι συμβατά μεταξύ τους: να χρησιμοποιήσεις την εμπλοκή για να φτιάξεις έναν αισθητήρα που είναι απίστευτα ευαίσθητος αλλά και ανθεκτικός σε πολύ θόρυβο», είπε ο Clark. “Κανονικά, η εμπλοκή είναι πολύ εύθραυστη. Αυτή η μέθοδος έχει κάποια εκπληκτική ανθεκτικότητα.”
Ένα άλλο πλεονέκτημα είναι ότι οι πληροφορίες που αποθηκεύονται σε αυτές τις κβαντικές καταστάσεις μπορούν να εξαχθούν χρησιμοποιώντας τυπικές τεχνικές μέτρησης Ramsey, εξαλείφοντας την ανάγκη για εξειδικευμένες ή εξωτερικές μεθόδους μέτρησης.
Εφαρμογές πέρα από την αίσθηση
Οι ερευνητές έδειξαν επίσης ότι η ίδια πλατφόρμα μπορεί να δημιουργήσει ασυνήθιστες κβαντικές καταστάσεις που έχουν από καιρό προσελκύσει το ενδιαφέρον των φυσικών.
Ένα παράδειγμα είναι η κατάσταση AKLT, μια πολύ γνωστή κατάσταση εμπλοκής πολλών σωμάτων που εισήχθη για πρώτη φορά τη δεκαετία του 1980 για να περιγράψει ανώμαλα μαγνητικά υλικά. Η ομάδα διαπίστωσε ότι η σχετικά απλή τους εγκατάσταση θα μπορούσε να σταθεροποιήσει την κατάσταση. Εκτός από το να βοηθούν τους επιστήμονες να μελετήσουν πολύπλοκα μαγνητικά συστήματα, οι πολιτείες AKLT μπορεί επίσης να έχουν εφαρμογές στον κβαντικό υπολογισμό.
Επόμενα βήματα για έρευνα
Η εργασία παραμένει θεωρητική προς το παρόν, αλλά οι ερευνητές ήδη συζητούν πιθανές πειραματικές δοκιμές με άλλες ομάδες.
Διερευνούν πιο εξελιγμένους τρόπους για να τακτοποιήσουν τα άτομα μέσα στο σύστημα και διερευνούν όλο το φάσμα των κβαντικών καταστάσεων που η μέθοδός τους μπορεί να παράγει.
«Το γεγονός ότι τέτοια απλά υλικά μπορούν να δημιουργήσουν τόσο περίπλοκες και χρήσιμες κβαντικές καταστάσεις μας δίνει ελπίδα ότι πριν φτάσουμε στο όνειρο ενός απλού κβαντικού υπολογιστή γενικής χρήσης, μπορούμε ήδη να δημιουργήσουμε κβαντικές καταστάσεις που μας επιτρέπουν να κάνουμε πράγματα που δεν μπορούσαμε να κάνουμε στον καθαρά κλασικό κόσμο», είπε ο Clark.
Αυτό το υλικό βασίζεται σε εργασία που υποστηρίζεται από το Εθνικό Κέντρο Έρευνας για την Επιστήμη της Επιστήμης της Κβαντικής Πληροφορίας του Γραφείου Επιστήμης του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ ως μέρος του Κέντρου Q-NEXT.
