Проста хитрість
Вівторок, ранок. Лабораторія квантової електродинаміки в Чикаго. Аньцзюнь Чу, постдокторант із групи професора Аашіша Клерка, підкручує налаштування другого лазера і в системі, де всі атоми роками поводилися як солдати на параді, раптом виникає хаос, який виявляється ідеально контрольованим. Світло, увязнене між двома надточними дзеркалами, починає танцювати з атомами в ритмі, який раніше вимагав унікального обладнання та місяців калібрування.
Тепер цей стан народжується за лічені хвилини з того, що вже стоїть на полицях більшості фізичних лабораторій світу.
Дослідники з Інженерної школи молекулярних технологій Чиказького університету (UChicago PME) опублікували цей метод у журналі Physical Review X. Вони довели: щоб створити надзвичайно заплутані (entangled) квантові стани, не потрібно винаходити нові прилади. Потрібно лише по-новому подивитися на старі і зламати симетрію, яка десятиліттями здавалася непорушною.
Пастка для світла
Основа методу система cavity QED, або квантова електродинаміка в порожнині. Уявіть два надточні дзеркала, розміщені один навпроти одного на відстані в кілька сантиметрів. Між ними атоми, підвішені в майже абсолютному вакуумі. Світло від лазера запускають у цю пастку, і воно починає грати з атомами, відбиваючись від дзеркал мільйони разів. Це стандартна установка, яка є в багатьох лабораторіях по всьому світу, від Каліфорнії до Токіо.
Проблема в тому, що в класичній версії цієї системи всі атоми взаємодіють зі світлом абсолютно однаково. Вони невідрізнювані, наче однакові нотки в монотонній мелодії. І ця надмірна симетрія не перевага, а тюрма для фізиків, які намагаються змусити систему виробляти складні квантові стани.
«Завжди існувала проблема: у цих системах занадто багато симетрії, пояснює Аашіш Клерк, професор молекулярної інженерії в UChicago PME та старший автор дослідження. Усі атоми розмовляють зі світлом однаково. Це суттєво обмежує типи заплутаних станів, які ви можете отримати.»
Заплутаність це феномен, коли частинки настільки глибоко повязані, що зміна стану одної миттєво впливає на іншу, незалежно від відстані. Альберт Ейнштейн колись назвав це «моторошною дією на відстані». Саме на ній будують найперспективніші квантові технології: надчутливі сенсори, які вловлюють гравітаційні хвилі, та майбутні квантові компютери, що розвязують задачі за лічені секунди, на які класичним машинам потрібні тисячоліття. Але створення складних заплутаних станів традиційно вимагало витонченого обладнання, кріогенних температур і ретельно спроєктованих експериментальних систем, які доступні лише одиницям лабораторій.
Хитрий баланс
У типовій установці cavity QED кожен атом має основний стан і збуджений стан, розділені певною різницею енергії. Команда Чикаго запропонувала змінити цю різницю для окремих груп, використовуючи додаткові лазери або магнітні поля. Ключовий момент розташувати атоми так, щоб кожен був у парі з іншим, що має рівне, але протилежне зміщення енергії. Наче два маятники, що гойдаються в протифазі, але в ідеальній синхронії.
Ця дрібна модифікація змінює все.
Атоми починають поводитися по-різному, зберігаючи при цьому достатньо структури, щоб система залишалася керованою та передбачуваною. Змінюючи лише те, які атоми отримують певні енергетичні зсуви, вчені можуть налаштовувати систему на виробництво різноманітних заплутаних станів і все це без заміни фізичного обладнання, без нових дзеркал і без надскладних лазерних схем.
«Ми хотіли взяти прості компоненти, які є в багатьох фізичних платформах, і зібрати їх мінімальним способом, щоб отримати щось цікаве, складне та потужне, каже Аашіш Клерк. Ви вмикаєте ці лазери, чекаєте, і в якийсь момент система стабілізується в цікавий, сильно заплутаний квантовий стан.»
«Ви просто підкручуєте лазери і можете отримати стани, недоступні раніше,» додає Аньцзюнь Чу, перший автор роботи та постдокторант у групі Клерка.
Сенсор, який чує шепіт
Одне з найближчих практичних застосувань квантове сенсування. Теоретично заплутані стани здатні вловлювати мізерні відмінності в магнітних або гравітаційних полях між різними точками простору. Це означає, що такий сенсор міг би відчувати підземні порожнини за гравітаційними аномаліями, виявляти мінеральні родовища або навіть моніторити вулканічну активність із точністю, недоступною сьогоднішній техніці. Однак розробити стани, які одночасно надчутливі та стійкі до шуму, досі здавалося неможливим наче намагатися почути шепіт на рок-концерті.
Дослідники продемонстрували, що версія їхньої системи з двома групами атомів може вимірювати градієнти полів. Коли два ансамблі атомів розміщують у різних місцях, отриманий квантовий стан відображає різницю між локальними магнітними або гравітаційними полями. При цьому він автоматично відсікає фоновий шум, який однаково впливає на обидві локації, наче шумозаглушувальні навушники, що працюють на рівні всесвіту.
Це поєднання рідкісне.
«Ви можете робити дві речі, які зазвичай несумісні: використовувати заплутаність для створення вишукано чутливого сенсора, але водночас мати стійкість до довільно великої кількості шуму, пояснює Клерк. Зазвичай заплутаність дуже крихка. Цей підхід має дивовижну стійкість.»
Ще одна перевага: інформацію з цих квантових станів можна зчитувати стандартними методами вимірювання Рамзі, без потреби в екзотичних або спеціалізованих приладах. Це означає, що технологію можна інтегрувати в існуючу інфраструктуру без повної її перебудови.
Стан, який чекав 40 років
Науковців особливо вражає, що платформа здатна генерувати незвичайні квантові стани, які десятиліттями залишалися теоретичними курйозами. Наприклад, стан AKLT відомий багаточастинковий заплутаний стан, запропонований у 1980-х роках фізиками Афлеком, Кеннеді, Лібом і Тасакі для опису незвичайних магнітних матеріалів. Чотири десятиліття він залишався переважно абстракцією, доступною лише в складних симуляціях. Команда зясувала, що їхня відносно проста установка може стабілізувати цей стан у реальній фізичній системі.
Цей стан може знайти застосування в квантових обчисленнях як будівельний блок для стійких квантових бітів.
- Заплутаність без перепроєктування система використовує стандартні лазери та дзеркала, але дає доступ до станів, раніше недоступних без радикальної зміни апаратури.
- Робастність до шуму сенсори на основі методу природно відфільтровують фоновий шум, зберігаючи надвисоку чутливість до градієнтів полів.
- Універсальність вимірювань дані зчитуються звичайними техніками Рамзі, що спрощує інтеграцію з існуючими технологіями.
- AKLT-стан платформа відкриває шлях до створення класичного багаточастинкового стану, який фізики вивчали десятиліттями лише теоретично.
Що далі
Поки що робота залишається теоретичною. Але вчені вже обговорюють можливі експериментальні тести з іншими групами. Вони також досліджують складніші способи розташування атомів у системі та вивчають повний спектр квантових станів, які їхній метод здатний породити. Наступні кроки включають перевірку стабільності станів у реальних умовах та пошук оптимальних конфігурацій для конкретних задач сенсування.
Дослідження отримало підтримку від Q-NEXT Національного дослідницького центру квантової інформаційної науки Міністерства енергетики США, який очолює Національна лабораторія Аргонна.
Історія з Чикаго нагадує про стару істину найкращих відкриттів: геніальність часто полягає не в додаванні складності, а в її прибиранні. Клерк і Чу не винайшли новий прилад. Вони побачили нову музику в інструментах, які вже були під рукою.
Наступний крок перевірити це в реальній лабораторії. Якщо експеримент підтвердить розрахунки, світ отримає сенсори, які чують гравітаційні хвилі планетарного масштабу, та компютерні елементи, що працюють на станах, які досі існували лише в уяві теоретиків.
І все це завдяки лазеру, який просто трохи зсунув енергію пари атомів.
Про автора
