Kwantumverstrengeling is een proces waarbij microscopisch kleine objecten zoals elektronen of atomen hun individualiteit verliezen om beter op elkaar afgestemd te worden. Verstrengeling vormt de kern van kwantumtechnologieën die grote vooruitgang beloven in computergebruik, communicatie en waarneming, bijvoorbeeld, zwaartekrachtgolven detecteren.

Verstrengelde staten zijn zoals bekend kwetsbaar:in de meeste gevallen zelfs een kleine verstoring zal de verstrengeling ongedaan maken. Om deze reden, de huidige kwantumtechnologieën doen veel moeite om de microscopische systemen waarmee ze werken te isoleren, en werken typisch bij temperaturen dichtbij het absolute nulpunt. Het ICFO-team, in tegenstelling tot, verwarmde een verzameling atomen tot 450 Kelvin in een recent experiment, miljoenen keren heter dan de meeste atomen die worden gebruikt voor kwantumtechnologie. Bovendien, de individuele atomen waren allesbehalve geïsoleerd; ze kwamen om de paar microseconden met elkaar in botsing, en bij elke botsing gingen hun elektronen in willekeurige richtingen draaien.

De onderzoekers gebruikten een laser om de magnetisatie van deze hete, chaotisch gas. De magnetisatie wordt veroorzaakt door de ronddraaiende elektronen in de atomen, en biedt een manier om het effect van de botsingen te bestuderen en verstrengeling te detecteren. Wat de onderzoekers observeerden, was een enorm aantal verstrengelde atomen - ongeveer 100 keer meer dan ooit tevoren. Ze zagen ook dat de verstrengeling niet-lokaal is - het gaat om atomen die niet dicht bij elkaar liggen. Tussen twee verstrengelde atomen bevinden zich duizenden andere atomen, waarvan vele verstrengeld zijn met nog andere atomen, in een reus, hete en rommelige verwarde toestand.

Wat ze ook zagen, als Jia Kong, eerste auteur van de studie, herinnert zich, "is dat als we de meting stoppen, de verstrengeling blijft ongeveer 1 milliseconde, wat betekent dat 1000 keer per seconde, een nieuwe batch van 15 biljoen atomen wordt verstrengeld. En je moet denken dat 1 ms erg lang is voor de atomen, lang genoeg om ongeveer 50 willekeurige botsingen te laten plaatsvinden. Dit toont duidelijk aan dat de verstrengeling niet wordt vernietigd door deze willekeurige gebeurtenissen. Dit is misschien wel het meest verrassende resultaat van het werk."

De observatie van deze hete en rommelige verstrengelde toestand maakt de weg vrij voor ultragevoelige magnetische velddetectie. Bijvoorbeeld, bij magneto-encefalografie (magnetische beeldvorming van de hersenen), een nieuwe generatie sensoren gebruikt dezelfde hete, atomaire gassen met hoge dichtheid om de magnetische velden te detecteren die door hersenactiviteit worden geproduceerd. De nieuwe resultaten laten zien dat verstrengeling de gevoeligheid van deze techniek kan verbeteren, die toepassingen heeft in de fundamentele hersenwetenschap en neurochirurgie.

ICREA Prof. bij ICFO Morgan Mitchell zegt, "Dit resultaat is verrassend, een echte afwijking van wat iedereen verwacht van verstrengeling. We hopen dat dit soort gigantische verstrengelde toestand zal leiden tot betere sensorprestaties in toepassingen variërend van beeldvorming van de hersenen tot zelfrijdende auto's tot het zoeken naar donkere materie."

Een Spin Singlet en QND

Een spin-singlet is een vorm van verstrengeling waarbij de spins van de meerdere deeltjes - hun intrinsieke impulsmoment - optellen tot 0, wat betekent dat het systeem een ​​totaal impulsmoment van nul heeft. In dit onderzoek, de onderzoekers pasten quantum non-demolition (QND) -metingen toe om de informatie over de spin van biljoenen atomen te extraheren.

De techniek laat laserfotonen met een bepaalde energie door het gas van atomen gaan. De fotonen met deze precieze energie prikkelen de atomen niet, maar ze worden zelf beïnvloed door de ontmoeting. De spins van de atomen werken als magneten om de polarisatie van het licht te roteren. Door te meten hoeveel de polarisatie van de fotonen is veranderd nadat ze door de wolk zijn gegaan, de onderzoekers kunnen de totale spin van het gas van atomen bepalen.

Het SERF-regime

Huidige magnetometers werken in een regime dat SERF wordt genoemd, ver weg van de bijna absolute nultemperaturen die onderzoekers doorgaans gebruiken om verstrengelde atomen te bestuderen. Bij dit regime elk atoom ervaart veel willekeurige botsingen met andere naburige atomen, waardoor botsingen het belangrijkste effect hebben op de toestand van het atoom.

In aanvulling, omdat ze zich in een heet medium bevinden in plaats van een ultrakoud medium, de botsingen maken de spin van de elektronen in een bepaald atoom snel willekeurig. Het experiment laat zien, verrassend genoeg, dat dit soort verstoring de verstrengelde toestanden niet verbreekt; het gaat slechts de verstrengeling van het ene atoom naar het andere over.