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 вид квантовой запутанности, который ограничивает флуктуации группы частиц. Это позволяет добиться более высокой точности при измерении определенных сигналов, однако приводит к снижению точности измерений дополнительных 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 представили новый подход к созданию запутанности спинового сжатия. На основе теоретических расчетов, которые были оперативно проверены экспериментально, было установлено, что для спинового сжатия имеются все необходимые компоненты и условия в обычном типе магнетизма — ферромагнетизме. Этот тип магнетизма не нуждается в экстремальных условиях, встречается в природе и обуславливает притяжение магнитов к стали.
Полученные данные свидетельствуют о том, что для достижения спинового сжатия не требуется взаимодействие между всеми элементами системы. Кроме того, при достаточно сильной связи спинов, обеспечивающей их синхронизацию в магнитном состоянии, спиновое сжатие может быть создано динамически.
Ученые выражают оптимизм. Спиновое сжатие открывает перспективы для разработки компактных сенсоров, предназначенных для биомедицинской визуализации и атомных часов.
Для дальнейшего развития будут проведены исследования, направленные на создание спинового сжатия в квантовых сенсорах, использующих дефекты в кристаллической решетке алмаза. Подобный метод спинового сжатия ранее применялся для повышения чувствительности детекторов гравитационных волн в эксперименте LIGO, за что в 2017 году была присуждена Нобелевская премия.