Квантовая запутанность стала понятнее благодаря работе физиков

Новости МирТесен

Новая стратегия создания квантовой запутанности, основанная на эффекте спинового сжатия, была разработана исследователями. Генерация квантовой запутанности в плоских магнитах позволит создавать более компактные и упрощенные квантовые сенсоры.

Благодаря квантовым сенсорам ученые получили возможность измерять параметры, которые ранее считались недоступными: колебания атомов, характеристики отдельных фотонов, изменения, вызванные гравитационными волнами. Квантовая механика позволяет создавать в материалах состояние «спинового сжатия». Это многообещающий подход, который способен существенно повысить точность самых чувствительных квантовых сенсоров в мире, но его реализация невероятно сложна. В новом исследовании физики описали, как они смогли сделать спиновое сжатие доступнее.

Спиновое сжатие представляет собой разновидность квантовой запутанности, которая накладывает ограничения на колебания группы частиц. Этот эффект позволяет повысить точность определения определенных параметров, однако одновременно снижается надежность измерений других сигналов.

Взаимосвязанная система напоминает шар, который не полностью надут. Этот шар служит символом неопределенности, свойственной каждому квантовому измерению. Исследователи «сжимают» эту неопределенность: при этом высота растет, а ширина уменьшается. В результате шар трансформируется в эллипс, и повышается чувствительность измерений одного из типов сигналов.

Ученые, изучающие квантовую запутанность, ранее полагали, что спиновое сжатие возможно только в системах, где происходит взаимодействие между всеми элементами. Однако недавнее исследование международной группы ученых продемонстрировало, что этот эффект может возникать и в локально взаимодействующих системах плоских магнитов. Результаты работы были опубликованы в журнале Nature Physics.

Подход, используемый командой из Гарварда, опирается на фундаментальную работу 1993 года, в которой впервые было предложено создание спин-сжатого запутанного состояния посредством взаимодействия между всеми атомами. Такая полная связность значительно упрощает накопление квантовомеханических корреляций, которые требуются для формирования спин-сжатого состояния. В то же время, в естественных условиях атомы обычно взаимодействуют лишь с ограниченным числом ближайших соседей.

Ученые разработали новую методику создания запутанности посредством спинового сжатия. В ходе теоретических расчетов и последующих экспериментальных проверок было установлено, что все необходимые компоненты и условия для реализации спинового сжатия присутствуют в распространенном типе магнетизма – ферромагнетизме. Этот тип магнетизма не требует экстремальных условий, широко встречается в природе и является ответственным за притяжение магнитов к стали.

Полученные данные указывают на то, что взаимодействие между всеми элементами системы не является обязательным условием для достижения спинового сжатия. Кроме того, при условии достаточной синхронизации спинов в магнитном состоянии возможно динамическое создание спинового сжатия.

Ученые выражают оптимизм относительно перспектив применения спинового сжатия, которое открывает возможности для разработки более компактных сенсоров, предназначенных для биомедицинской визуализации и атомных часов.

В дальнейшем планируется проведение экспериментов по созданию спинового сжатия в квантовых сенсорах на основе дефектов в кристаллической решетке алмаза. Подобный подход к спиновому сжатию уже применялся для повышения чувствительности детекторов гравитационных волн, эксперименте LIGO, за что в 2017 году была присуждена Нобелевская премия.