Nowe badania na Harvardzie zwiększyły możliwości czujników kwantowych poprzez ściskanie spinu – metodę precyzyjnie dostosowującą czułość pomiaru.
Ten przełom może doprowadzić do znacznych ulepszeń w technologiach, od obrazowania biomedycznego po zegary atomowe.
Odkrywanie przełomowych rozwiązań w dziedzinie czujników kwantowych
Pomiary mają fundamentalne znaczenie dla każdego osiągnięcia i odkrycia w nauce. Dziś, dzięki postępowi w wykrywaniu kwantowym, naukowcy mogą mierzyć zjawiska, które kiedyś były niewyobrażalne — takie jak wibracje atomów, właściwości poszczególnych fotonów i subtelne fluktuacje związane z fale grawitacyjne.
Jedna z obiecujących technik kwantowych, znana jako „ściskanie spinu”, może znacznie zwiększyć precyzję czujników kwantowych. Jednak osiągnięcie tego było niezwykle trudne. W nowych badaniach fizycy z Harvardu przybliżyli ściskanie spinu do praktycznego zastosowania.
Zaciskanie spinu jest formą splątania kwantowego, która ogranicza zakres wahań grupy cząstek. Ograniczenie to pozwala na bardziej precyzyjne pomiary niektórych sygnałów, choć odbywa się kosztem ich ograniczenia dokładność dla innych pomiarów uzupełniających. Przypomina to ściskanie balonu – zwiększanie wysokości poprzez utratę szerokości.
Zwiększanie precyzji pomiarów dzięki mechanice kwantowej
„Mechanika kwantowa może zwiększyć naszą zdolność pomiaru bardzo małych sygnałów” – powiedział Norman Yao, profesor fizyki i autor nowego artykułu na temat ściskania spinu Fizyka Przyrody. „Pokazaliśmy, że możliwe jest uzyskanie takiej metrologii wzmocnionej kwantowo w znacznie szerszej klasie systemów, niż wcześniej sądzono”.
W metaforze balonu okrąg reprezentuje niepewność nieodłącznie związaną z każdym pomiarem kwantowym, wyjaśnił Maxwell Block, współautor artykułu i były student Griffin Graduate School of Arts and Sciences. „Zaciskając tę niepewność i nadając balonowi bardziej kształt elipsy, można zmienić czułość pomiarów” – powiedział Block. „Oznacza to, że niektóre pomiary mogą być dokładniejsze niż cokolwiek, co można by zrobić bez mechaniki kwantowej”.
Zastosowano na przykład analogię ściskania spinowego zwiększyć czułość detektorów fal grawitacyjnych, które zdobyły Nagrodę Nobla LIGO eksperyment.
Nowe strategie ulepszeń kwantowych
Praca zespołu z Harvardu opierała się na przełomowym miejscu Artykuł z 1993 roku który po raz pierwszy opisał możliwość ściśniętego spinu, splątanego stanu spowodowanego interakcjami „wszyscy do wszystkich” między atomami. Takie interakcje przypominają duże spotkanie na Zoomie, podczas którego każdy uczestnik wchodzi w interakcję z każdym innym uczestnikiem jednocześnie. Pomiędzy atomami ten typ połączeń z łatwością umożliwia tworzenie korelacji mechaniki kwantowej niezbędnych do wywołania stanu ściśniętego spinu. Jednak w naturze atomy zazwyczaj oddziałują ze sobą w sposób bardziej przypominający grę w telefon, polegającą na rozmowie tylko z kilkoma sąsiadami na raz.
„Przez lata uważano, że prawdziwie ulepszone kwantowo ściskanie spinu można uzyskać jedynie poprzez interakcje typu „wszyscy do wszystkich”” – powiedział Bingtian Ye, współautor artykułu, a także były pracownik Griffin Graduate School of Arts and Sciences student. „Ale pokazaliśmy, że jest to o wiele łatwiejsze”.
W swoim artykule naukowcy zarysowują nową strategię generowania splątania z ściskaniem spinu. Przeczuli i szybko wraz ze współpracownikami we Francji potwierdzony w drodze eksperymentu wykazano, że składniki służące do wyciskania wirowego występują w postaci wszechobecnego rodzaju magnetyzmu, często występującego w przyrodzie — ferromagnetyzmu, który jest również siłą powodującą przyklejanie się magnesów na lodówkę. Twierdzą, że interakcje typu „wszyscy do wszystkich” nie są konieczne, aby osiągnąć ściskanie spinu, ale raczej, dopóki spiny są połączone wystarczająco dobrze, aby zsynchronizować się w stanie magnetycznym, powinny również być w stanie dynamicznie generować ściskanie spinu.
Przyszłe kierunki w wykrywaniu kwantowym
Naukowcy są optymistami, że obniżając w ten sposób barierę dla ściskania spinu, ich praca zainspiruje naukowców i inżynierów kwantowych do tworzenia bardziej przenośnych czujników, przydatnych w obrazowaniu biomedycznym, zegarach atomowych i nie tylko.
W tym duchu Yao prowadzi obecnie eksperymenty mające na celu wygenerowanie ściskania spinu w czujnikach kwantowych zbudowanych z centrów wakatów azotowych, które stanowią rodzaj defektu w strukturze krystalicznej diamentu, od dawna uznawanego za idealne czujniki kwantowe.
Odniesienie: „Skalowalne wyciskanie spinu z magnetyzmu łatwej płaszczyzny o skończonej temperaturze” autorstwa Maxwella Blocka, Bingtiana Ye, Brendena Robertsa, Sabriny Chern, Weijie Wu, Zilina Wanga, Lode’a Polleta, Emily J. Davis, Bertranda I. Halperina i Normana Y. Yao, 29 lipca 2024 r., Fizyka Przyrody.
DOI: 10.1038/s41567-024-02562-5
Badania otrzymały wsparcie federalne od: Biura Badań Armii, Biura Badań Marynarki Wojennej, Departamentu Energii, Departamentu Obrony i Narodowej Fundacji Nauki.
