Natuurkundigen van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een manier bedacht om de kwantummechanische eigenschappen van een groep atomen veel sneller met elkaar te verbinden dan momenteel mogelijk is. mogelijk een hulpmiddel bieden voor zeer nauwkeurige detectie en kwantumcomputertoepassingen. NIST heeft patent aangevraagd op de methode, die gedetailleerd wordt beschreven in een nieuw artikel in Fysieke beoordelingsbrieven .

De methode, die nog niet experimenteel is aangetoond, zou in wezen het proces van kwantumverstrengeling versnellen waarin de eigenschappen van meerdere deeltjes met elkaar verbonden raken. Verstrengeling zou zich in veel minder tijd door een groep atomen voortplanten, waardoor wetenschappers een verstrengeld systeem exponentieel sneller kunnen bouwen dan tegenwoordig gebruikelijk is.

Arrays van verstrengelde atomen gesuspendeerd in laserlichtstralen, bekend als optische roosters, zijn een benadering voor het creëren van de logische centra van prototype kwantumcomputers, maar een verstrengelde staat is moeilijk langer dan kort vol te houden. Het toepassen van de methode op deze arrays zou wetenschappers kostbare tijd kunnen geven om meer met deze arrays van atomen te doen voordat verstrengeling verloren gaat in een proces dat bekend staat als decoherentie.

De methode maakt gebruik van een fysieke relatie tussen de atomen die dipolaire interactie wordt genoemd, waardoor atomen elkaar over grotere afstanden kunnen beïnvloeden dan voorheen mogelijk was. Alexey Gorshkov van het onderzoeksteam vergelijkt het met het delen van tennisballen onder een groep mensen. Terwijl eerdere methoden mensen in wezen toestonden om tennisballen alleen door te geven aan een persoon die naast hen stond, de nieuwe aanpak zou een persoon in staat stellen om ze naar mensen aan de andere kant van de kamer te gooien.

"Het zijn deze dipolaire interacties op lange afstand in 3D waarmee je veel sneller verstrengeling kunt creëren dan in systemen met interacties op korte afstand, " zei Gorshkov, een theoretisch fysicus bij NIST en bij zowel het Joint Centre for Quantum Information and Computer Science als het Joint Quantum Institute, die samenwerkingen zijn tussen NIST en de Universiteit van Maryland. "Blijkbaar, als je dingen direct naar mensen die ver weg zijn kunt gooien, je kunt de objecten sneller verspreiden."

Het toepassen van de techniek zou zich concentreren op het aanpassen van de timing van laserlichtpulsen, de lasers in- en uitschakelen in bepaalde patronen en ritmes om de zwevende atomen snel te veranderen in een coherent verstrengeld systeem.

De aanpak kan ook worden toegepast in sensoren, die verstrengeling zouden kunnen gebruiken om een ​​veel grotere gevoeligheid te bereiken dan klassieke systemen kunnen. Hoewel verstrengeling-versterkte kwantumdetectie een jong veld is, het kan scannen met hoge resolutie van kleine objecten mogelijk maken, zoals het onderscheiden van kleine temperatuurverschillen tussen delen van een individuele levende cel of het uitvoeren van magnetische beeldvorming van het interieur.

Gorshkov zei dat de methode voortbouwt op twee onderzoeken uit de jaren negentig waarin verschillende NIST-onderzoekers de mogelijkheid overwogen om een ​​groot aantal kleine objecten - zoals een groep atomen - als sensoren te gebruiken. Atomen kunnen de eigenschappen van een nabijgelegen magnetisch veld meten, bijvoorbeeld, omdat het veld de energieniveaus van hun elektronen zou veranderen. Deze eerdere inspanningen toonden aan dat de onzekerheid in deze metingen voordeliger zou zijn als de atomen allemaal verstrengeld waren, in plaats van slechts een stel onafhankelijke objecten die toevallig bij elkaar in de buurt waren.

"Onzekerheid is de sleutel hier, ' zei Gorshkov. 'Die onzekerheid wil je zo laag mogelijk houden. Als de atomen verstrengeld zijn, je hebt minder onzekerheid over de grootte van dat magnetische veld."

De atomen sneller in een verstrengelde toestand brengen zou een potentieel voordeel zijn in elke praktische toepassing, niet in de laatste plaats omdat verstrikking vluchtig kan zijn.

Als een groep atomen verstrengeld is, de kwantumtoestand van elk is verbonden met de andere, zodat het hele systeem één enkele kwantumtoestand bezit. Deze verbinding kan zelfs bestaan ​​als de atomen gescheiden en volledig van elkaar zijn geïsoleerd (wat aanleiding geeft tot Einsteins beroemde beschrijving ervan als "spookachtige actie op afstand"), maar verstrikking is ook een vrij kwetsbare toestand. De moeilijkheid om het tussen grote aantallen atomen te houden, heeft de ontwikkeling van op verstrengeling gebaseerde technologieën zoals kwantumcomputers vertraagd.

"Verstrengelde staten hebben de neiging om te decoheren en terug te gaan naar een stel gewone onafhankelijke atomen, "Zei Gorshkov. "Mensen wisten hoe ze verstrengeling moesten creëren, maar we hebben gezocht naar een manier om het sneller te doen."

Als de methode experimenteel kan worden aangetoond, het zou de processor van een kwantumcomputer extra tijd kunnen geven, zodat het decoherentie kan overtreffen, die dreigt een berekening uit elkaar te laten vallen voordat de qubits hun werk kunnen voltooien. Het zou ook de onzekerheid verminderen als het wordt gebruikt in detectietoepassingen.

"We denken dat dit een praktische manier is om de verstrengelingssnelheid te verhogen, "Zei Gorshkov. "Het was cool genoeg om te patenteren, dus we hopen dat het commercieel nuttig is voor iemand."