Метод включает измерение движения каждого атома и выполнение определенных операций по устранению теплового движения.
Художественное изображение квантовой гиперзапутанности.
Мануэль Эндре/Калтех (сгенерировано ИИ)
Квантовая технология часто требует точного контроля отдельных частиц, атомов или ионов. Оптический пинцет — одно из таких устройств, которое можно использовать для контроля этих частиц.
Оптические пинцеты используют сфокусированные лазеры для захвата и управления отдельными атомами или ионами с чрезвычайно высокой точностью. Они используются в квантовых вычислительных системах, атомных часах и для изучения квантовой физики.
Однако захваченные ионы или атомы имеют естественное движение или покачивание из-за тепловой энергии. Это присутствует даже тогда, когда частицы охлаждаются до чрезвычайно низких температур.
Это колебание вносит в систему шум, который мешает квантовой информации, содержащейся в системе.
Теперь исследователи из Калтеха превратили эту проблему в мощный ресурс. В новом исследовании ученые используют атомное движение для создания гиперзапутанности, корреляции двух свойств одновременно.
В обычной квантовой запутанности две частицы коррелируют через одно свойство, например спин. Однако в случае гиперзапутанности это могут быть несколько свойств.
Это первая демонстрация гиперзапутанности в массивных частицах или нейтральных атомах, ранее наблюдавшаяся у фотонов.
Использование движения для получения квантовой информации
Для создания гиперзапутанности исследователи используют массивы атомов стронция, захваченных с помощью оптического пинцета.
У этих атомов было тепловое движение, которое они хотели превратить в управляемый квантовый ресурс.
Они охладили атомы до почти полной остановки, используя новый метод. Этот метод охлаждения был вдохновлен демоном Максвелла, мысленным экспериментом 1867 года.
По сути, метод заключается в измерении движения каждого атома и применении определенных операций для устранения теплового движения. Решение принимается по одному атому за раз на основе измерений в реальном времени.
Далее исследователи вызывают контролируемые колебания в атомах. Это было сделано таким образом, что атомы могли колебаться в двух разных движениях одновременно, создавая состояние суперпозиции. Проще говоря, каждый атом может колебаться двумя способами одновременно.
Эти колебания имеют небольшую амплитуду — около 100 нанометров, что намного меньше толщины человеческого волоса.
После этого исследователи запутывают соседние атомы. Это вызывает коррелированное состояние между двигательными и электронными компонентами атомов. Это как близнецы, разлученные при рождении, которые имеют одно и то же имя и одну и ту же марку автомобиля.
Улучшение производительности
Метод охлаждения, называемый «обнаружением и последующей активной коррекцией тепловых двигательных возбуждений», превосходит лучшие на сегодняшний день методы охлаждения на основе лазера.
Соавтор профессор Мануэль Эндрес из Калтеха рассказал об их работе в пресс-релизе. «По сути, цель здесь состояла в том, чтобы расширить границы того, насколько мы можем контролировать эти атомы», — сказал профессор Эндрес.
«По сути, мы создаем ящик с инструментами: мы знали, как управлять электронами внутри атома, а теперь мы узнали, как управлять внешним движением атома в целом. Это как игрушка-атом, которую вы полностью освоили».
Усовершенствованный метод может повысить производительность некоторых квантовых компьютеров, которые используют захваченные атомы в качестве кубитов.
Результаты исследования опубликованы в журнале Science.
Sourse: interestingengineering.com
