Naukowcy z JILA i Harvardu wykorzystali inżynierię Floqueta do kontrolowania interakcji między ultrazimnymi cząsteczkami potasu i rubidu, obserwując dwuosiową dynamikę skręcania, która może generować stany splątane na potrzeby zaawansowanego wykrywania kwantowego.
Metoda ta manipuluje stanami spinowymi cząsteczek, oferując wgląd w układy magnetyczne i zjawiska wielociałowe.
Odkrywanie zjawisk kwantowych za pomocą spinów
Interakcje pomiędzy spinami kwantowymi leżą u podstaw niektórych z najciekawszych zjawisk we wszechświecie, takich jak nadprzewodniki i magnesy. Jednak fizycy mają trudności z zaprojektowaniem w laboratorium sterowalnych systemów, które odtwarzałyby te interakcje.
Teraz w niedawno opublikowanym Natura w artykule, JILA i NIST Fellow oraz University of Colorado Boulder Physics profesor Jun Ye i jego zespół, wraz ze współpracownikami z grupy Michaiła Lukina na Uniwersytecie Harvarda, wykorzystali okresowe impulsy mikrofalowe w procesie znanym jako inżynieria Floqueta, aby dostroić interakcje między ultrazimnym potasem i rubidem cząsteczki w układzie odpowiednim do badania podstawowych układów magnetycznych. Co więcej, badacze zaobserwowali w swoim systemie dwuosiową dynamikę skręcania, która może generować stany splątane na potrzeby lepszego wykrywania kwantowego w przyszłości.
Wykorzystanie cząsteczek polarnych w symulacjach kwantowych
W tym eksperymencie naukowcy manipulowali ultrazimnymi cząsteczkami potasu i rubidu, które są polarne. Ponieważ cząsteczki polarne stanowią obiecującą platformę do symulacji kwantowych, przestrajalne interakcje molekularne wykorzystujące inżynierię Floqueta mogą otworzyć nowe drzwi do zrozumienia innych kwantowych układów wielociałowych.
„Szczególnie istnieje duże zainteresowanie wykorzystaniem tych systemów kwantowych [with] cząsteczki polarne — wiele nowych efektów fizycznych może być wrażliwych, ponieważ cząsteczki mają bogatą strukturę energetyczną, która zależy od wielu różnych stałych fizycznych” – wyjaśnia absolwent JILA i pierwszy autor badania, Calder Miller. „Jeśli więc potrafimy zaprojektować ich interakcje, w zasadzie możemy stworzyć stany splątane, które zapewniają lepszą wrażliwość na nową fizykę”.
Ulepszanie wykrywania kwantowego
Inżynieria Floquet okazała się przydatną techniką kierowania interakcjami w systemach fizycznych. Metoda ta działa jak „kwantowe światło stroboskopowe”, które może tworzyć różne efekty wizualne, na przykład sprawiać, że obiekty wydają się poruszać w zwolnionym tempie lub nawet stać w miejscu, dostosowując prędkość i intensywność błysków.
Podobnie, wykorzystując okresowe impulsy mikrofalowe do napędzania systemu, naukowcy mogą tworzyć różne efekty kwantowe, kontrolując interakcję cząstek.
„W naszym starym układzie liczba impulsów, jakie mogliśmy wygenerować, była ograniczona” – mówi Annette Carroll, absolwentka JILA w zespole badawczym Ye i współautorka tego badania. „Współpracowaliśmy więc ze sklepem elektronicznym nad opracowaniem generatora przebiegów arbitralnych opartego na FPGA, który pozwala nam teraz zastosować tysiące impulsów. Oznacza to, że nie tylko możemy zaprojektować sekwencję impulsów, która usuwa szum pojedynczych cząstek, ale możemy także modyfikować interakcje w systemie”.
Osiągnięcie precyzyjnej kontroli nad stanami kwantowymi
Przed wdrożeniem inżynierii Floqueta badacze najpierw zakodowali informację kwantową w dwóch najniższych stanach rotacji cząsteczek (chociaż cząsteczki mają znacznie więcej stanów). Za pomocą początkowego impulsu mikrofalowego cząsteczki umieszczono w kwantowej superpozycji tych dwóch stanów „spinowych”.
Po zakodowaniu informacji badacze wykorzystali technikę inżynierii Floquet, aby sprawdzić, czy uda im się dostroić określone typy interakcji kwantowych, znane jako modele spinowe XXZ i XYZ. Modele te opisują, w jaki sposób spiny kwantowe cząstek oddziałują ze sobą, co ma fundamentalne znaczenie dla zrozumienia materiałów magnetycznych i innych zjawisk wielociałowych.
Chociaż fizycy używają matematycznie skonstruowanej sfery Blocha, aby pokazać, jak ewoluują spiny w tych modelach, łatwiej jest wyobrazić sobie cząsteczki zmieniające swój wzór tańca w zależności od interakcji z sąsiadami lub partnerami w tańcu. Ci tancerze molekularni mogą przestać ciągnąć lub popychać swoich partnerów, co na poziomie kwantowym można utożsamić ze zmianami orientacji wirowania.
W badaniu „kwantowe światło stroboskopowe”, czyli inżynieria Floqueta, wskazało te zmiany w interakcjach między cząsteczkami, które, jak zweryfikowali naukowcy, wytworzyły dynamikę spinu podobną do tej generowanej przez precyzyjne dostrojenie interakcji przy użyciu przyłożonego pola elektrycznego. Ponadto badacze precyzyjnie kontrolowali sekwencję impulsów, aby zrealizować mniej symetryczne interakcje, których nie można wygenerować za pomocą pól elektrycznych.
Obserwowanie dynamiki skręcania w dwóch osiach
Naukowcy zaobserwowali również, że ich technika wygenerowała dwuosiową dynamikę skręcania.
Skręcanie dwuosiowe polega na pchaniu i ciągnięciu spinów kwantowych wzdłuż dwóch różnych osi, co może prowadzić do stanów silnie splątanych. Proces ten jest cenny dla postępu w wykrywaniu i precyzyjnych pomiarach, ponieważ pozwala na wydajne tworzenie stanów ściśnięcia spinu. Stany te zmniejszają niepewność kwantową w jednym elemencie układu spinowego, jednocześnie zwiększając ją w innym elemencie ortogonalnym, co prowadzi do zwiększonej czułości w eksperymentach spektroskopowych.
„To było naprawdę ekscytujące, kiedy zobaczyliśmy pierwsze oznaki skręcania w dwóch osiach” – mówi Miller. Nie byliśmy pewni, czy uda nam się sprawić, by to zadziałało, ale spróbowaliśmy i półtora dnia później było całkiem jasne, że mamy sygnał.
Koncepcja dwuosiowego skręcania została zaproponowana na początku lat 90. XX wieku, ale na jej realizację w dwóch laboratoriach JILA trzeba było poczekać do 2024 r. Oprócz tej pracy Ye i jego zespołu, JILA i stypendysta NIST oraz profesor fizyki z Uniwersytetu Kolorado Boulder James Thompson i jego zespół zastosowali zupełnie inne podejście do pracy nad atomami – elektrodynamikę kwantową wnękową, czyli QED wnękową – również wykazując skręcanie w dwóch osiach w tym roku.
Planowanie przyszłych przedsięwzięć badawczych
Chociaż zespół badawczy nie próbował wykryć splątania w swoim systemie, planuje to zrobić w przyszłości.
„Najbardziej logicznym kolejnym krokiem jest ulepszenie naszego wykrywania, abyśmy mogli faktycznie zweryfikować generowanie stanów splątanych” – dodaje Miller.
Odniesienie: „Skręcanie dwuosiowe z wykorzystaniem modeli spinu XYZ zaprojektowanych przez Floquet z cząsteczkami polarnymi” autorstwa Caldera Millera, Annette N. Carroll, Junyu Lin, Henrika Hirzlera, Haoyang Gao, Hengyun Zhou, Mikhail D. Lukin i Jun Ye, 11 września 2024 r. , Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07883-2
Prace te były wspierane przez Biuro Naukowe Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, Krajowe Centra Badań nad Informacją Kwantową oraz Akcelerator Systemów Kwantowych.
