En uhyggelig god sensor

Forskere fra Research Center for Advanced Science and Technology (RCAST) ved University of Tokyo demonstrerede en metode til at koble en magnetisk kugle med en sensor via kvantesammenfiltringens mærkelige kraft. De viste, at eksistensen af ​​selv en enkelt magnetisk excitation i kuglen kunne detekteres med en one-shot-måling. Dette arbejde repræsenterer et stort fremskridt i retning af kvantesystemer, der kan interagere med magnetiske materialer.

Forestil dig at have en sensor, der er kraftig nok til at fortælle dig, i et enkelt slag, hvis en høstak i nærheden indeholdt en nål eller ej. Sådan en enhed kan virke som om den kun kunne eksistere i science fiction, men, ved at bruge en af ​​de mest kontraintuitive effekter af kvantemekanikken, dette niveau af følsomhed kan blive til virkelighed. Forviklinger, den mærkelige proces i hjertet af kvantemekanikken, der tillader forbundne partikler at interagere øjeblikkeligt over lange afstande, blev engang kaldt "uhyggelig handling på afstand" af Albert Einstein.

Eksperimenter har bekræftet, at kvantemekanikken tillader situationer, hvor dele af et system ikke længere kan beskrives separat, men snarere blive fundamentalt viklet ind, sådan at måling af den ene automatisk afgør den andens skæbne. For eksempel, to elektroner kan blive viklet ind, så de begge peger op eller begge peger ned - så måling af den ene påvirker øjeblikkeligt den andens tilstand. "Entanglement har været i lærebøger om kvantemekanik i årtier, " siger førsteforfatter Dr. Dany Lachance-Quirion, "men applikationerne til at producere meget følsomme detektorer med det begynder først nu at blive realiseret."

I eksperimenterne udført på RCAST, en millimeter stor kugle af yttriumjerngranat blev placeret i det samme resonanshulrum som en superledende Josephson junction qubit, som fungerede som sensor. På grund af koblingen af ​​kuglen til resonanshulrummet, og, på tur, mellem hulrummet til qubit, qubitten kunne kun exciteres af en elektromagnetisk puls, hvis der ikke var magnetiske excitationer til stede i kuglen. Aflæsning af qubittens tilstand afslører derefter kuglens tilstand.

"Ved at bruge enkeltskudsdetektion i stedet for at tage et gennemsnit, vi var i stand til at gøre vores enhed både meget følsom og meget hurtig, " Professor Yasunobu Nakamura forklarer. "Denne forskning kunne åbne vejen for sensorer, der er kraftige nok til at hjælpe med at søge efter teoretiske mørkt stof partikler kaldet axioner."

Værket er publiceret i tidsskriftet Videnskab som "Entanglement-baseret enkeltskudsdetektion af en enkelt magnon med en superledende qubit."