Wetenschap
Het genereren van grafiektoestanden van atomaire ensembles via foton-gemedieerde verstrengeling
Graftoestanden, een klasse van verstrengelde kwantumtoestanden die kunnen worden weergegeven door grafieken, zijn vanwege hun intrigerende eigenschappen het onderwerp geweest van talloze recente natuurkundestudies. Deze unieke eigenschappen zouden ze bijzonder veelbelovend kunnen maken voor kwantumcomputertoepassingen, maar ook voor een breder scala aan kwantumtechnologieën.
In een canonieke grafiekstatus vertegenwoordigt elk hoekpunt van een grafiek een individuele qubit (kwantumbit), terwijl de verstrengeling tussen deze qubits wordt weergegeven als de randen van de grafiek. Het concept is ook gegeneraliseerd naar toestanden waarin kwantuminformatie niet in individuele qubits wordt opgeslagen, maar in continue variabelen, zoals de amplitude en fase van licht.
Hoewel grafiektoestanden potentie hebben getoond voor het verbeteren van bepaalde kwantuminformatieverwerking en kwantumgebaseerde meetinstrumenten, is het genereren ervan voor willekeurige grafieken een uitdaging, omdat het een hoge mate van controle vereist over de interacties die verstrengeling veroorzaken.
Onderzoekers van Stanford University en het SLAC National Accelerator Laboratory demonstreren het genereren van continu variabele grafiektoestanden van atomaire spinensembles, die de hoekpunten van een grafiek vormen. Hun artikel, gepubliceerd in Nature Physics , opent nieuwe mogelijkheden voor het gebruik van deze staten om nieuwe kwantumcomputer- en metrologiesystemen te realiseren.
"Ons recente werk past in een brede poging om verstrengelde kwantumtoestanden te ontwikkelen, waarin informatie niet-lokaal wordt gecodeerd in de correlaties tussen twee of meer deeltjes", vertelde Monika Schleier-Smith, senior auteur van het artikel, aan Phys.org. "Deze kwantumcorrelaties zijn de essentiële hulpbron voor beoogde kwantumtechnologieën, variërend van kwantumcomputers tot ultraprecieze sensoren."
Om met succes in de praktijk te kunnen worden ingezet, moeten zowel kwantumcomputers als ultraprecieze kwantum-verbeterde meetinstrumenten zowel schaalbaar als gemakkelijk programmeerbaar zijn. Met andere woorden, ze zouden in staat moeten zijn om de verstrengeling tussen niet slechts twee maar vele atomen in stand te houden en zouden onderzoekers in staat moeten stellen de correlaties in het systeem te controleren.
Het primaire doel van het recente onderzoek van Schleier-Smith, haar afgestudeerde student Eric Cooper en hun collega's was het ontwikkelen van een methode om atomen te verstrengelen die zowel schaalbaar als programmeerbaar is. De methode die zij ontwikkelden omvat het gebruik van lasertechnologie om de verstrengeling tussen atomen in twee of meer subsystemen te controleren.
"De belangrijkste experimentele techniek die in mijn laboratorium wordt gebruikt, is het manipuleren van atomen met laserlicht", zei Schleier-Smith. "Ten eerste gebruiken we laserlicht om atomen af te koelen tot temperaturen rond het absolute nulpunt, en om een optisch pincet te maken waarin deze atomen gevangen zitten in het brandpunt van een laserstraal."
De onderzoekers gebruikten vier optische pincetten om vier atomenwolken tussen een paar spiegels te positioneren, waardoor een zogenaamde optische resonator ontstond. Dit is in wezen een 'doos' waarin fotonen worden opgeslagen, waardoor ze herhaaldelijk heen en weer kunnen stuiteren tussen de twee spiegels.
"Ik denk dat het licht in de resonator zich gedraagt als een boodschapper die heen en weer loopt tussen de atomen en informatie tussen hen doorgeeft - maar belangrijker nog:het doet dit in het geheim, zonder de informatie met de buitenwereld te delen", zegt Schleier-Smith. uitgelegd. "Door het discreet delen van informatie tussen de atoomwolken kunnen ze verstrikt raken."
Met behulp van hun experimentele methode waren de onderzoekers in staat om effectief een vierkante grafiekstatus met vier modi te ontwikkelen. Hun gedemonstreerde aanpak belooft dus zowel een schaalbare als efficiënte oplossing te zijn voor het programmeren van de verstrengeling tussen kwantumknooppunten en het genereren van grafiektoestanden.
"Naïef zou je kunnen verwachten dat onafhankelijke controle over de interacties tussen elk paar knooppunten in het netwerk nodig is om volledige controle te hebben over de structuur van kwantumcorrelaties", aldus Schleier-Smith.
‘Dit zou hetzelfde zijn als wanneer twee mensen in een sociaal netwerk elkaar een bericht zouden kunnen sturen. We hebben echter geleerd dat een zeer brede klasse van verstrengelde staten kan worden voorbereid door alleen mondiale interacties te gebruiken – zoals het uitzenden van een bericht naar iedereen in de wereld. sociaal netwerk – plus een extra ingrediënt voor lokale controle over de individuele knooppunten."
Het recente onderzoek van Schleier-Smith en haar onderzoeksgroep zou de weg kunnen effenen voor het wijdverbreide gebruik van graaftoestanden voor kwantumcomputers en kwantummetrologie. In de toekomst zou hun methode kunnen worden gebruikt om verstrengelde toestanden voor te bereiden voor specifieke toepassingen, variërend van kwantumfoutcorrectie tot kwantumverbeterde detectie.
"Op de korte termijn onderzoeken we toepassingen voor kwantum-verbeterde detectie en beeldvorming - hoe ontwerpen we bijvoorbeeld kwantumtoestanden die zijn geoptimaliseerd voor het herkennen van bepaalde ruimtelijke patronen in magnetische of optische velden?" Schleier-Smith voegde toe.
"Op de langere termijn hopen we onze methode voor het ontwerpen van verstrengelde grafentoestanden uit te breiden naar reeksen van individueel gevangen atomen die dienen als qubits voor kwantumberekeningen. Dit vereist vooruitgang in het ontwerp van de resonator om de kracht van de atoom-lichtinteracties te vergroten. "