許多最有前景的量子技術，包括先進感測器和未來的量子電腦，都依賴一種稱為量子糾纏的現象。在此現象中，粒子會變得深度連結，並以經典物理學無法解釋的方式相互影響。為這些技術創造所需的複雜糾纏態，傳統上需要精密的設備和精心設計的實驗系統。
芝加哥大學普利茲克分子工程學院（UChicago PME）的研究人員現在提出了一種更簡單的方法。他們新的理論方法可以使用許多量子物理實驗室中已有的工具，來生成和控制廣泛的量子糾纏態。
這項發表在《Physical Review X》上的研究，有望推動超高精度量子感測技術的發展，並為探索基礎物理學開闢新機會。
「我們希望利用許多物理平台中存在的簡單元素，以最少的方式將它們組合起來，以獲得有趣、複雜且強大的東西，」UChicago PME 分子工程學教授、新研究的資深作者 Aashish Clerk 表示。
這項研究得到了 Q-NEXT 的支持，Q-NEXT 是美國能源部（DOE）國家量子資訊科學研究中心，由 DOE 的阿貢國家實驗室領導。
該團隊的方法基於腔量子電動力學，通常稱為腔 QED。在這些實驗中，原子或其他粒子被放置在一個光學腔內，該腔由兩個鏡子組成，在它們之間捕獲光。然後，粒子與腔內受限的光相互作用。
許多腔 QED 系統的一個限制是，所有原子都以完全相同的方式與光相互作用。由於原子本質上是無法區分的，因此可以產生的量子態範圍受到限制。
「這個系統的挑戰一直以來都是它具有過多的對稱性。所有的原子都以相同的方式與光進行交互，」Clerk 說。「這確實限制了你能獲得的糾纏態類型。」
在典型的腔 QED 設定中，每個原子都有一個基態和一個激發態，它們之間具有特定的能量差。
研究人員發現了一種簡潔的方法來降低系統的對稱性。雖然所有原子繼續受到同一雷射的驅動，但額外的雷射或磁場被用來改變不同原子群體的激發態能量。原子的排列方式使得每個原子都與另一個具有相等但相反能量偏移的原子配對。
這種簡單的修改允許原子之間表現出不同的行為，同時保留足夠的結構，使系統保持可控和可預測。透過改變哪些原子接收特定的能量偏移，科學家可以在不改變物理硬體的情況下，調整系統以產生各種糾纏態。
「你打開這些雷射並等待，然後在某個時刻，系統會穩定進入一個有趣、高度糾纏的量子態，」Clerk 小組的博士後研究員、新研究的第一作者 Anjun Chu 說。「透過簡單地調整雷射，我們可以獲得以前從未有人想過的糾纏態類型。」
新方法最有前景的用途之一是量子感測。
理論上，糾纏量子態可以偵測不同地點之間磁場或重力場的極小差異。然而，開發出既高度靈敏又對雜訊具有抵抗力的狀態仍然是一個重大挑戰。
研究人員證明，他們提出的包含兩組原子的系統版本可用於測量場梯度。當兩個原子系集放置在不同位置時，產生的量子態反映了局部磁場或重力場之間的差異。同時，它自然地排除了同時影響兩個地點的背景雜訊。
「你能夠做到兩件通常不相容的事情：利用糾纏來構建一個極其靈敏的感測器，同時又能對任意大的雜訊具有魯棒性，」Clerk 說。「通常，糾纏非常脆弱。這種方法具有驚人的韌性。」
另一個優點是，儲存在這些量子態中的資訊可以使用標準的拉姆齊測量技術提取，無需專門或奇特的測量方法。
研究人員還表明，相同的平台可以產生長期以來吸引物理學家興趣的不尋常量子態。
一個例子是 AKLT 態，這是一種著名的多體糾纏態，最早於 1980 年代引入，用於描述不尋常的磁性材料。該團隊發現他們相對簡單的設置可以穩定這種狀態。除了幫助科學家研究複雜的磁性系統外，AKLT 態在量子計算中也可能具有應用前景。
目前這項工作仍停留在理論階段，但研究人員已經與其他團隊討論了可能的實驗測試。
他們還在研究系統內排列原子的更複雜方法，並探索他們的方法可能產生的量子態的全部範圍。
「如此簡單的元素能夠產生如此複雜且有用的量子態，這讓我們有希望，即使在我們實現通用量子電腦的夢想之前，我們也能夠產生讓我們能夠做一些在純粹經典世界中無法做到的事情的量子態，」Clerk 說。
