Forskere demonstrerer, hvordan man bygger 'tidsrejsende' kvantesensorer

Forskere fra Caltech og Massachusetts Institute of Technology har opdaget, hvordan man konstruerer kvantesensorer, der kan bevæge sig tilbage i tiden og afsløre afgørende information om deres tidlige dynamik.

Gruppen, ledet af Caltechs assisterende professor i fysik Yu-xi Liu og MITs professor Alexej Jerschow, beskriver det nye koncept i et papir, der vises i august 2019-udgaven af ​​Nature Physics.

"Med den teknologi, der er demonstreret i vores papir, kan vi direkte måle den tidlige kvantedynamik i en stor klasse af kvantesystemer," siger Liu og tilføjer, "Dette ligner i ånd ideen om time-lapse fotografering; undtagen i vores tilfælde , tidsrejseeffekten gælder ikke for mennesker eller genstande, men for kvanteinformation."

Forskerne indså deres tidsrejsende kvantesensorer baseret på et fænomen kaldet kvantesammenfiltring. Kvantesammenfiltring opstår, når to eller flere partikler er forbundet med hinanden på en sådan måde, at den ene partikels tilstand ikke kan beskrives uafhængigt af den andens tilstand. Dette koncept er i modstrid med vores daglige erfaring med klassisk fysik, men er gentagne gange blevet bekræftet af eksperimenter.

I den nye forskning udnyttede Liu og kolleger kvantesammenfiltringen til at skabe en slags kvanteviskelæder, der gjorde det muligt for dem at hente information om den tidlige dynamik i et bestemt kvantesystem.

For at illustrere konceptet brugte forskerne et kvantesystem lavet af to fangede, spinnende partikler (atomer), kaldet kvantebits eller qubits for korte. Spindene af disse to qubits var viklet ind, og tidsudviklingen af ​​deres spins blev påvirket af tilstedeværelsen af ​​et magnetfelt.

På et præcist kontrolleret tidspunkt tændte forskerne magnetfeltet og lod det påvirke spins af de to qubits. Dette havde den effekt, at den forvrængede kvanteinformationen, der var gemt i spins. Efterfølgende implementerede forskerne kvanteslæderet, som genoprettede kvanteinformationen fra det tidlige tidspunkt, før magnetfeltet blev påført.

Evnen til at rejse tilbage i tiden – omend kun med hensyn til kvanteinformation – åbner for spændende nye muligheder for at forstå en række fysiske processer. For eksempel kunne teknikken bruges til at undersøge den tidlige adfærd af kemiske reaktioner, studere indviklede energispredningsmekanismer og endda afdække grundlæggende egenskaber ved sorte huller.

Liu er særligt begejstret for anvendelserne af de nye tidsrejsende kvantesensorer i fysik af kondenseret stof. "Det er ret forbløffende at tænke på at anvende kraften ved kvantetidsrejser på et fast stof med billioner af atomer, hvor der konstant sker mange forskellige kvantefænomener," siger han. "En ny måde at gense udviklingen af ​​disse fænomener på kunne afsløre skjult fysik, som vi normalt ikke ser."