芝加哥大学的一个研究团队发现了一种出人意料地简单的方法，可以制备通常难以产生的强大量子态。通过对光腔内原子的能级进行微调，研究人员无需添加复杂的硬件即可生成多种高度纠缠态。
芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）的研究人员现在提出了一种更简单的方法。他们的新理论方法可以利用许多量子物理实验室中已有的常见工具，生成并控制广泛的纠缠量子态。
这项发表在《物理评论X》（Physical Review X）上的工作有助于推进超精密量子传感，并为探索基础物理学开辟新机遇。
“我们希望利用在许多物理平台中常见的简单要素，以最简化的方式将其组合，从而获得有趣、复杂且强大的成果，”芝加哥大学普利兹克分子工程学院教授、该新研究的资深作者阿什什·克拉克说道。
该研究由Q-NEXT支持，这是一个由美国能源部阿贡国家实验室领导的美国能源部国家量子信息科学研究中心。
重新思考腔量子电动力学系统
该团队的方法基于腔量子电动力学，通常称为腔QED。在这些实验中，原子或其他粒子被放置在一个光学腔内，光学腔由两面镜子组成，光被捕获在两者之间。然后粒子与腔内的受限光相互作用。
许多腔QED系统的一个局限性在于，所有原子都以完全相同的方式与光相互作用。由于原子实际上是不可区分的，因此能够产生的量子态范围受到限制。
“挑战一直在于这些系统具有过多的对称性。所有原子都在以相同的方式与光‘对话’，”克拉克说。“这确实限制了你所能获得的纠缠态种类。”
在典型的腔QED装置中，每个原子都有一个基态和一个激发态，两者由特定的能量差隔开。
研究人员发现了一种降低系统对称性的直接方法。虽然所有原子继续由同一束激光驱动，但额外的激光或磁场被用来移动不同原子群的激发态能量。原子的排列方式使得每个原子都与另一个具有大小相等但方向相反的能量偏移的原子配对。
这种简单的修改使原子能够表现出不同的行为，同时保留足够的结构，使系统保持可控和可预测。通过改变哪些原子接收特定的能量移动，科学家可以调节系统以产生各种纠缠态，而无需改变物理硬件。
“你打开这些激光器并等待，在某个时刻系统会稳定成一种有趣的高度纠缠量子态，”克拉克小组的博士后研究员、这项新工作的第一作者初安俊说。“通过简单地调节激光，我们可以获得以前从未有人想到过的纠缠态。”
构建更佳的量子传感器
这种新方法最有前景的用途之一是量子传感。
理论上，纠缠量子态可以检测不同位置之间磁场或引力场的极微小差异。然而，开发既高度灵敏又抗噪的量子态一直是一项重大挑战。
研究人员证明，他们提出的包含两组原子的系统版本可用于测量场梯度。当这两个原子系综被放置在不同位置时，产生的量子态反映了局部磁场或引力场之间的差异。同时，它自然地剔除了对两个位置产生同等影响的背景噪声。
“你能够做两件通常互不兼容的事情：利用纠缠构建极度灵敏的传感器，同时又能对任意大的噪声保持鲁棒性，”克拉克说。“通常情况下，纠缠非常脆弱。这种方法具有惊人的韧性。”
另一个优点是，存储在这些量子态中的信息可以使用标准的拉姆齐测量技术提取，从而无需专用或奇异的测量方法。
传感之外的应用
研究人员还表明，同一平台可以生成物理学家长期感兴趣的奇特量子态。
一个例子是AKLT态，这是一种著名的多体纠缠态，最早于20世纪80年代引入用于描述奇异的磁性材料。团队发现，他们相对简单的装置可以稳定这种状态。除了帮助科学家研究复杂的磁系统外，AKLT态在量子计算中也可能有应用。
研究的下一步计划
目前这项工作仍处于理论阶段，但研究人员已在与其他小组讨论可能的实验测试。
他们还在研究在系统内排列原子的更复杂方法，并探索该方法可能产生的全方位量子态。
“如此简单的要素能够生成如此复杂且有用的量子态，这一事实给了我们希望：即使在实现通用量子计算机的梦想之前，我们也能生成让我们能够做在纯经典世界中无法做的事情的量子态，”克拉克说。
本材料基于美国能源部科学办公室国家量子信息科学研究中心作为Q-NEXT中心一部分所支持的工作。