Физики прокладывают путь к запутанности в квантовом зондировании

Широко известно, что квантово-механический трюк под названием «спиновое сжатие» обещает улучшить возможности самых точных в мире квантовых датчиков, но достичь его оказалось крайне сложно. В новом исследовании физики из Гарварда описывают, как они лучше справляются с вращательным давлением.

Спиновое давление, тип квантовой запутанности, ограничивает возможности колебаний группы частиц. Это позволяет более точно измерять конкретные наблюдаемые сигналы за счет измерения других, дополнительных сигналов с той же точностью – подумайте о том, как сжимание воздушного шара увеличивает высоту за счет ширины.

«Квантовая механика может улучшить нашу способность измерять очень слабые сигналы», — сказал Норман Яо, профессор физики и автор новой статьи о ротационном сжатии. Физика природы. «Мы показали, что можно получить такие расширенные квантовые измерения в гораздо более широком классе систем, чем считалось ранее».

В метафоре воздушного шара круг представляет собой неопределенность, присущую любому количественному измерению, объяснил Максвелл Блок, соавтор статьи и бывший студент Высшей школы искусств и наук Гриффина. «Сжимая эту неопределенность и делая шар более похожим на эллипс, можно изменить чувствительность измерений», — сказал Блок. «Это означает, что некоторые измерения могут быть более точными, чем все, что можно было бы сделать без квантовой механики».

Например, аналог вращательного давления был использован для повышения чувствительности детекторов гравитационных волн, получивших Нобелевскую премию, в эксперименте LIGO.

Работа гарвардской команды была основана на знаковой статье 1993 года, в которой впервые описывалась возможность спиновой запутанности и напряжения в результате взаимодействия между атомами. Такое взаимодействие напоминает большое собрание Zoom, где каждый участник одновременно взаимодействует со всеми остальными участниками. Между атомами этот тип связи легко допускает квантово-механические корреляции, необходимые для создания состояния напряжения из-за вращения. Однако в природе атомы обычно взаимодействуют друг с другом больше похоже на телефонную игру, разговаривая одновременно лишь с несколькими соседями.

«В течение многих лет считалось, что по-настоящему квантово-увеличенное вращательное давление можно получить только посредством всесторонних взаимодействий», — сказал Пинтянь Е, соавтор исследования, который также был бывшим студентом Высшей школы искусств и наук Гриффина. . «Но мы показали, что на самом деле это намного проще».

В своей статье исследователи определяют новую стратегию создания запутывания в результате ротационного сжатия. Они пришли к выводу и вместе с коллегами из Франции быстро подтвердили экспериментально, что компоненты вращательного напряжения присутствуют в типе магнетизма, обычном для природы – ферромагнетизме, который также является силой, которая заставляет магниты холодильника прилипать. Они предположили, что глобальные взаимодействия не являются необходимыми для достижения вращательного напряжения, но пока спины связаны достаточно хорошо, чтобы синхронизироваться в магнитном состоянии, они также должны быть способны динамически генерировать вращательное напряжение.

Исследователи надеются, что, снизив барьер спинового давления, их работа вдохновит квантовых ученых и инженеров на новые способы создания более портативных датчиков, полезных для биомедицинской визуализации, атомных часов и многого другого.

Руководствуясь этим духом, Яо сейчас проводит эксперименты по созданию вращательного напряжения в квантовых сенсорах, состоящих из азотных вакансионных центров — типа дефекта в кристаллической структуре алмаза, который уже давно признан идеальными квантовыми сенсорами.

Исследование получило федеральную поддержку от: Управления армейских исследований, Управления военно-морских исследований, Министерства энергетики, Министерства обороны и Национального научного фонда.