Generering af graftilstande for atomare ensembler via foton-medieret sammenfiltring

For at blive implementeret med succes i virkelige omgivelser skal både kvantecomputere og ultrapræcise kvanteforbedrede måleværktøjer være både skalerbare og let programmerbare. Med andre ord bør de være i stand til at opretholde sammenfiltring mellem ikke blot to, men mange atomer og skulle give forskere mulighed for at kontrollere sammenhænge i systemet.

Det primære formål med den nylige undersøgelse af Schleier-Smith, hendes kandidatstuderende Eric Cooper og deres kolleger var at udvikle en metode til at sammenfiltre atomer, som er både skalerbar og programmerbar. Metoden, de udviklede, indebærer brug af laserteknologi til at kontrollere sammenfiltringen mellem atomer i to eller flere undersystemer.

"Den primære eksperimentelle teknik, der bruges i mit laboratorium, er at manipulere atomer med laserlys," sagde Schleier-Smith. "For det første bruger vi laserlys til at afkøle atomer til temperaturer nær det absolutte nulpunkt og til at danne en optisk pincet, hvori disse atomer er fanget i en laserstråles fokus."

Forskerne brugte fire optiske pincet til at placere fire skyer af atomer mellem et par spejle, der danner det, der er kendt som en optisk resonator. Dette er i bund og grund en 'kasse', der gemmer fotoner, så de gentagne gange kan hoppe frem og tilbage mellem de to spejle.

"Jeg tænker på, at lyset inde i resonatoren fungerer som en budbringer, der løber frem og tilbage mellem atomerne og videregiver information mellem dem - men, hvad der er vigtigt, det gør det hemmeligt uden at dele informationen med omverdenen," Schleier-Smith forklaret. "Den diskrete deling af information mellem atomskyerne gør det muligt for dem at blive viklet ind."

Ved hjælp af deres eksperimentelle metode var forskerne i stand til effektivt at konstruere en firkantet graftilstand med fire tilstande. Deres demonstrerede tilgang lover således at være både en skalerbar og effektiv løsning til programmering af sammenfiltringen mellem kvanteknuder og generering af graftilstande.

"Naivt kan man forvente at have behov for uafhængig kontrol af interaktionerne mellem hvert par af noder i netværket for at have fuld kontrol over strukturen af ​​kvantekorrelationer," sagde Schleier-Smith.

"Dette ville være som at have to personer i et socialt netværk, der kunne sende direkte beskeder til hinanden. Men vi lærte, at en meget bred klasse af sammenfiltrede stater kan forberedes ved kun at bruge globale interaktioner - som at udsende en besked til alle i socialt netværk – plus en ekstra ingrediens til lokal kontrol af de individuelle noder."

Den nylige undersøgelse foretaget af Schleier-Smith og hendes forskergruppe kunne bane vejen mod den udbredte brug af graftilstande til kvanteberegning og kvantemetrologi. I fremtiden kan deres metode bruges til at forberede sammenfiltrede tilstande til specifikke applikationer, lige fra kvantefejlkorrektion til kvanteforbedret sansning.

"På kort sigt udforsker vi applikationer til kvanteforbedret sansning og billeddannelse - for eksempel, hvordan designer vi kvantetilstande, der er optimeret til at genkende bestemte rumlige mønstre i magnetiske eller optiske felter?" Schleier-Smith tilføjede.

"På længere sigt håber vi at udvide vores metode til at konstruere sammenfiltrede graftilstande til arrays af individuelt fangede atomer, der tjener som qubits til kvanteberegning. Dette kræver fremskridt i designet af resonatoren for at øge styrken af ​​atom-lys-interaktionerne. "

Flere oplysninger: Eric S. Cooper et al., Grafiske tilstande af atomare ensembler konstrueret af foton-medieret sammenfiltring, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02407-1

Journaloplysninger: Naturfysik

© 2024 Science X Network