Μια απλή τροποποίηση σε ένα κοινό κβαντικό σύστημα θα μπορούσε να ξεκλειδώσει ισχυρές νέες κβαντικές καταστάσεις για αισθητήρες εξαιρετικής ακρίβειας και μελλοντικές κβαντικές τεχνολογίες.
Μια ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο ανακάλυψε έναν αναπάντεχα απλό τρόπο για τη δημιουργία ισχυρών κβαντικών καταστάσεων, οι οποίες υπό κανονικές συνθήκες είναι δύσκολο να παραχθούν.
Κάνοντας μικρές ρυθμίσεις στα ενεργειακά επίπεδα των ατόμων μέσα σε μια οπτική κοιλότητα, οι ερευνητές μπορούν να δημιουργήσουν μια μεγάλη ποικιλία από καταστάσεις υψηλής κβαντικής διεμπλοκής, χωρίς την προσθήκη περίπλοκου εξοπλισμού.
Πολλές από τις πιο υποσχόμενες κβαντικές τεχνολογίες, συμπεριλαμβανομένων των προηγμένων αισθητήρων και των μελλοντικών κβαντικών υπολογιστών, βασίζονται σε ένα φαινόμενο γνωστό ως κβαντική διεμπλοκή, 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 καταστάσεων διεμπλοκής που απαιτούνται για αυτές τις τεχνολογίες απαιτούσε παραδοσιακά εξελιγμένο εξοπλισμό και προσεκτικά σχεδιασμένα πειραματικά συστήματα. Ερευνητές της Σχολής Μοριακής Μηχανικής Pritzker του Πανεπιστημίου του Σικάγο (UChicago PME) πρότειναν τώρα μια πολύ απλούστερη προσέγγιση.
Η νέα θεωρητική τους μέθοδος μπορεί να δημιουργήσει και να ελέγξει ένα ευρύ φάσμα καταστάσεων κβαντικής διεμπλοκής, χρησιμοποιώντας εργαλεία που είναι ήδη κοινά σε πολλά εργαστήρια κβαντικής φυσικής.
Η εργασία, η οποία δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Physical Review X, θα μπορούσε να βοηθήσει στην πρόοδο της κβαντικής ανίχνευσης εξαιρετικής ακρίβειας και να ανοίξει νέες ευκαιρίες για την εξερεύνηση της θεμελιώδους φυσικής.
«Θέλαμε να πάρουμε απλά συστατικά που βρίσκει κανείς σε πολλές φυσικές πλατφόρμες και να τα συνδυάσουμε με τον ελάχιστο δυνατό τρόπο για να πετύχουμε κάτι ενδιαφέρον, πολύπλοκο και ισχυρό», δήλωσε ο Aashish Clerk, καθηγητής μοριακής μηχανικής στο UChicago PME και κύριος συγγραφέας της νέας μελέτης.
Η έρευνα υποστηρίχθηκε από το Q-NEXT, ένα Εθνικό Κέντρο Έρευνας Κβαντικής Επιστήμης Πληροφοριών του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE), του οποίου ηγείται το Εθνικό Εργαστήριο Argonne του DOE.
Επανεξετάζοντας τα συστήματα QED Κοιλότητας
Η προσέγγιση της ομάδας βασίζεται στην κβαντική ηλεκτροδυναμική κοιλότητας, ευρέως γνωστή ως cavity QED. Σε αυτά τα πειράματα, άτομα ή άλλα σωματίδια τοποθετούνται μέσα σε μια οπτική κοιλότητα, η οποία αποτελείται από δύο κάτοπτρα που εγκλωβίζουν το φως ανάμεσά τους.
Στη συνέχεια, τα σωματίδια αλληλεπιδρούν με το περιορισμένο φως στο εσωτερικό της κοιλότητας. 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 μη διακρίσιμα μεταξύ τους, το εύρος των κβαντικών καταστάσεων που μπορούν να παραχθούν είναι περιορισμένο. «Η πρόκληση ήταν πάντα ότι αυτά τα συστήματα έχουν υπερβολικά μεγάλη συμμετρία. Όλα τα άτομα “μιλούν” στο φως με τον ίδιο τρόπο», δήλωσε ο Clerk. «Αυτό περιορίζει σημαντικά το είδος των καταστάσεων διεμπλοκής που μπορείς να πάρεις».
Σε μια τυπική διάταξη QED κοιλότητας, κάθε άτομο έχει μια θεμελιώδη και μια διεγερμένη κατάσταση, οι οποίες χωρίζονται από μια συγκεκριμένη ενεργειακή διαφορά. Οι ερευνητές βρήκαν έναν απλό τρόπο να μειώσουν τη συμμετρία του συστήματος.
Ενώ όλα τα άτομα συνεχίζουν να διεγείρονται από το ίδιο λέιζερ, χρησιμοποιούνται επιπλέον λέιζερ ή μαγνητικά πεδία για να μετατοπίσουν τις ενέργειες της διεγερμένης κατάστασης διαφορετικών ομάδων ατόμων.
Τα άτομα είναι διατεταγμένα έτσι ώστε το καθένα να είναι συζευγμένο με ένα άλλο άτομο που έχει ίση αλλά αντίθετη ενεργειακή μετατόπιση. Αυτή η απλή τροποποίηση επιτρέπει στα άτομα να συμπεριφέρονται διαφορετικά το ένα από το άλλο, διατηρώντας παράλληλα αρκετή δομή ώστε το σύστημα να παραμένει ελέγξιμο και προβλέψιμο.
Αλλάζοντας το ποια άτομα δέχονται συγκεκριμένες ενεργειακές μετατοπίσεις, οι επιστήμονες μπορούν να ρυθμίσουν το σύστημα ώστε να παράγει μια ποικιλία καταστάσεων διεμπλοκής, χωρίς να τροποποιήσουν τον φυσικό εξοπλισμό.
«Ανάβεις αυτά τα λέιζερ και περιμένεις, και σε κάποιο σημείο το σύστημα σταθεροποιείται σε μια ενδιαφέρουσα, υψηλά κβαντικά διεμπλεγμένη κατάσταση», δήλωσε ο Anjun Chu, μεταδιδακτορικός ερευνητής στην ομάδα Clerk και πρώτος συγγραφέας της νέας εργασίας. «Ρυθμίζοντας απλώς τα λέιζερ, μπορούμε να έχουμε πρόσβαση σε είδη καταστάσεων διεμπλοκής που κανείς δεν είχε σκεφτεί ποτέ πριν».
Κατασκευάζοντας καλύτερους κβαντικούς αισθητήρες
Μια από τις πιο υποσχόμενες χρήσεις για τη νέα προσέγγιση είναι η κβαντική ανίχνευση. Θεωρητικά, οι καταστάσεις κβαντικής διεμπλοκής μπορούν να ανιχνεύσουν εξαιρετικά μικρές διαφορές στα μαγνητικά ή τα βαρυτικά πεδία μεταξύ διαφορετικών τοποθεσιών. Ωστόσο, η ανάπτυξη καταστάσεων που είναι ταυτόχρονα εξαιρετικά ευαίσθητες και ανθεκτικές στον θόρυβο παραμένει μια σημαντική πρόκληση.
Οι ερευνητές έδειξαν ότι μια εκδοχή του προτεινόμενου συστήματός τους, η οποία περιέχει δύο ομάδες ατόμων, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση βαθμίδων πεδίου. Όταν τα δύο ατομικά σύνολα τοποθετούνται σε διαφορετικές τοποθεσίες, η κβαντική κατάσταση που προκύπτει αντικατοπτρίζει τη διαφορά μεταξύ των τοπικών μαγνητικών ή βαρυτικών πεδίων.
Ταυτόχρονα, απορρίπτει φυσικά τον θόρυβο υποβάθρου που επηρεάζει εξίσου και τις δύο τοποθεσίες. «Είσαι σε θέση να κάνεις δύο πράγματα που συνήθως δεν είναι συμβατά μεταξύ τους: Να χρησιμοποιήσεις τη διεμπλοκή για να κατασκευάσεις έναν εξαιρετικά ευαίσθητο αισθητήρα, αλλά παράλληλα να έχεις ανθεκτικότητα σε αυθαίρετα μεγάλες ποσότητες θορύβου», δήλωσε ο Clerk.
«Κανονικά, η διεμπλοκή είναι πολύ εύθραυστη. Αυτή η προσέγγιση διαθέτει μια εκπληκτική ανθεκτικότητα». Ένα ακόμα πλεονέκτημα είναι ότι οι πληροφορίες που είναι αποθηκευμένες σε αυτές τις κβαντικές καταστάσεις μπορούν να εξαχθούν χρησιμοποιώντας τυπικές τεχνικές μέτρησης Ramsey, εξαλείφοντας την ανάγκη για εξειδικευμένες ή εξωτικές μεθόδους μέτρησης.
Εφαρμογές πέρα από την ανίχνευση
Οι ερευνητές έδειξαν επίσης ότι η ίδια πλατφόρμα μπορεί να δημιουργήσει ασυνήθιστες κβαντικές καταστάσεις, οι οποίες προσελκύουν εδώ και καιρό το ενδιαφέρον των φυσικών. Ένα παράδειγμα είναι η κατάσταση AKLT, μια γνωστή κβαντικά διεμπλεγμένη κατάσταση πολλών σωμάτων (many-body) που εισήχθη για πρώτη φορά τη δεκαετία του 1980 για να περιγράψει ασυνήθιστα μαγνητικά υλικά.
Η ομάδα διαπίστωσε ότι η σχετικά απλή διάταξή της μπορεί να σταθεροποιήσει αυτή την κατάσταση. Εκτός από το ότι βοηθά τους επιστήμονες να μελετήσουν πολύπλοκα μαγνητικά συστήματα, η κατάσταση AKLT ενδέχεται επίσης να έχει εφαρμογές στους κβαντικούς υπολογιστές.
Επόμενα βήματα για την έρευνα
Η εργασία παραμένει θεωρητική προς το παρόν, αλλά οι ερευνητές συζητούν ήδη πιθανές πειραματικές δοκιμές με άλλες ομάδες. Οι ερευνητές εξετάζουν εξελιγμένες μεθόδους διάταξης ατόμων και το εύρος των κβαντικών καταστάσεων που μπορεί να παραγάγει η μέθοδός τους.
Η δυνατότητα παραγωγής πολύπλοκων καταστάσεων με απλά συστατικά προσφέρει τη δυνατότητα εφαρμογών κβαντικής τεχνολογίας πριν την έλευση των γενικών κβαντικών υπολογιστών.
