Ученые нашли простой способ создавать сложные квантовые состояния
Физики из Чикагского университета предложили простой теоретический метод для создания сильно запутанных квантовых состояний. Такой подход может помочь в создании сверхточных датчиков и в изучении необычных квантовых материалов.
Источник: Clerk Group
МОСКВА, 7 июня. /Новости науки/. Ученые из Чикагского университета разработали простой способ получать и настраивать сложные запутанные квантовые состояния. Работа опубликована в журнале Physical Review X, сообщила пресс-служба университета.
Квантовая запутанность — это состояние, при котором свойства частиц связаны между собой сильнее, чем это возможно в классической физике. Такие состояния нужны для квантовых датчиков, квантовых компьютеров и исследований новых материалов. Но обычно для их получения требуются сложные установки с большим числом точно настроенных элементов.
Группа профессора Аашиша Клерка предложила более простой путь. Ученые использовали известную платформу — квантовую электродинамику в оптической полости. В такой системе атомы или другие частицы помещают между двумя зеркалами. Свет оказывается «заперт» в полости и взаимодействует с частицами.
Обычно все атомы в такой установке взаимодействуют со светом одинаково. Из-за этой симметрии система может создавать лишь ограниченный набор квантовых состояний. Авторы работы предложили нарушить эту симметрию мягким и управляемым способом.
Для этого атомы освещают общим лазером, а затем с помощью дополнительного магнитного поля или других лазеров изменяют энергию возбужденного состояния у разных групп атомов. При этом каждому атому подбирают пару с равным, но противоположным энергетическим смещением. Так частицы получают разные «роли», но вся система остается предсказуемой.
По словам первого автора работы Аньцзюня Чу, достаточно включить лазеры и подождать, пока система сама стабилизируется в нужное запутанное состояние. Меняя параметры лазеров, можно получать разные типы таких состояний без перестройки всей установки.
Один из главных вариантов применения — квантовые датчики. Сильно запутанные состояния могут улавливать очень малые различия магнитных или гравитационных полей между двумя точками. При этом новая схема, как показали расчеты, может оставаться устойчивой к шуму, который одинаково действует на обе точки измерения.
Клерк отметил, что это необычное сочетание свойств. Запутанность обычно очень хрупка, но предложенный подход позволяет одновременно повысить чувствительность датчика и защитить его от сильного фонового шума.
Для считывания результата не нужны экзотические методы. Исследователи считают, что достаточно стандартных измерений Рэмзи, которые уже широко применяются в квантовой физике.
Метод может быть полезен не только для сенсоров. Ученые показали, что та же платформа способна создавать редкие многотельные квантовые состояния. Среди них — состояние AKLT, которое физики используют для описания необычных магнитных материалов. Оно также может иметь значение для квантовых вычислений.
Пока работа остается теоретической. Авторы уже обсуждают проверку идеи с экспериментальными группами. Следующий шаг — реализовать схему в лаборатории и понять, какие еще квантовые состояния можно получить этим способом.
Исследование поддержал центр Q-NEXT — Национальный исследовательский центр квантовой информатики Министерства энергетики США, которым руководит Аргоннская национальная лаборатория.
Работа опубликована 1 июня 2026 года в журнале Physical Review
Квантовая запутанность — это состояние, при котором свойства частиц связаны между собой сильнее, чем это возможно в классической физике. Такие состояния нужны для квантовых датчиков, квантовых компьютеров и исследований новых материалов. Но обычно для их получения требуются сложные установки с большим числом точно настроенных элементов.
Группа профессора Аашиша Клерка предложила более простой путь. Ученые использовали известную платформу — квантовую электродинамику в оптической полости. В такой системе атомы или другие частицы помещают между двумя зеркалами. Свет оказывается «заперт» в полости и взаимодействует с частицами.
Обычно все атомы в такой установке взаимодействуют со светом одинаково. Из-за этой симметрии система может создавать лишь ограниченный набор квантовых состояний. Авторы работы предложили нарушить эту симметрию мягким и управляемым способом.
Для этого атомы освещают общим лазером, а затем с помощью дополнительного магнитного поля или других лазеров изменяют энергию возбужденного состояния у разных групп атомов. При этом каждому атому подбирают пару с равным, но противоположным энергетическим смещением. Так частицы получают разные «роли», но вся система остается предсказуемой.
По словам первого автора работы Аньцзюня Чу, достаточно включить лазеры и подождать, пока система сама стабилизируется в нужное запутанное состояние. Меняя параметры лазеров, можно получать разные типы таких состояний без перестройки всей установки.
Один из главных вариантов применения — квантовые датчики. Сильно запутанные состояния могут улавливать очень малые различия магнитных или гравитационных полей между двумя точками. При этом новая схема, как показали расчеты, может оставаться устойчивой к шуму, который одинаково действует на обе точки измерения.
Клерк отметил, что это необычное сочетание свойств. Запутанность обычно очень хрупка, но предложенный подход позволяет одновременно повысить чувствительность датчика и защитить его от сильного фонового шума.
Для считывания результата не нужны экзотические методы. Исследователи считают, что достаточно стандартных измерений Рэмзи, которые уже широко применяются в квантовой физике.
Метод может быть полезен не только для сенсоров. Ученые показали, что та же платформа способна создавать редкие многотельные квантовые состояния. Среди них — состояние AKLT, которое физики используют для описания необычных магнитных материалов. Оно также может иметь значение для квантовых вычислений.
Пока работа остается теоретической. Авторы уже обсуждают проверку идеи с экспериментальными группами. Следующий шаг — реализовать схему в лаборатории и понять, какие еще квантовые состояния можно получить этим способом.
Исследование поддержал центр Q-NEXT — Национальный исследовательский центр квантовой информатики Министерства энергетики США, которым руководит Аргоннская национальная лаборатория.
Работа опубликована 1 июня 2026 года в журнале Physical Review
