Вчені спростили квантову заплутаність

Дослідники описали нову стратегію створення заплутаності з урахуванням ефекту спинового стискування. Можливість генерувати квантову заплутаність у плоских магнітах зробить квантові сенсори менше та простіше.

Завдяки квантовим сенсорам вчені можуть вимірювати те, що раніше видавалося неможливим: коливання атомів, властивості окремих фотонів, флуктуації, пов’язані з гравітаційними хвилями. Квантова механіка дозволяє створити у матеріалі «спиновий стиск». Це перспективний метод, здатний значно  підвищити точність найчутливіших квантових сенсорів у світі, але його реалізація неймовірно складна. У новому дослідженні фізики описали, як вони змогли зробити спиновий стиск доступнішим.

Спиновий стиск — форма квантової заплутаності, яка обмежує коливання ансамблю частинок. Це дозволяє проводити більш точні вимірювання деяких сигналів, що спостерігаються, але при цьому падає точність вимірювань додаткових сигналів.

Взаємопов’язана система схожа на повністю надуту кулю. Куля символізує невизначеність, властиву будь-якому квантовому виміру. Вчені «стискають» цю невизначеність, висота збільшується, але ширина зменшується. Куля змінює форму на еліпс, і чутливість вимірів одного з типів сигналів зростає.

Дослідники квантової заплутаності припускали, що спиновий стиск можливий лише в системах із «взаємодією всіх з усіма». Однак нещодавно міжнародна група вчених показала, що він може виникати і в системах, що локально взаємодіють, плоских магнітів. Їх дослідження опубліковано в журналі Nature Physics.

Робота команди з Гарварда заснована на знаковій статті 1993 року, в якій вперше описували можливість створення спін-стисненого заплутаного стану за рахунок взаємодії «всіх з усіма» між атомами. Цей тип зв’язності легко дозволяє накопичувати квантовомеханічні кореляції, необхідні створення спін-стисненого стану. Однак у природі атоми зазвичай взаємодіють, отже взаємодіють лише з кількох сусідніх атомів одночасно.

Дослідники описали нову стратегію створення заплутаності спинового стискування. Вони припустили і швидко підтвердили за допомогою експериментів, що всі необхідні елементи та умови для спинового стиску присутні у поширеному типі магнетизму — феромагнетизм. Він не вимагає екстремальних умов, зустрічається в природі та відповідальний за тяжіння магнітів до сталі.

Дані підтверджують, що взаємодія «всіх з усіма» не є обов’язковою для досягнення спинового стиску. Крім цього, якщо спини пов’язані досить добре, щоб синхронізуватися в магнітний стан, можна динамічно генерувати стиск спини.

Дослідники налаштовані оптимістично. Завдяки спиновому стиску стає можливим створення більш портативних сенсорів для біомедичної візуалізації та атомного годинника.

Наступним кроком будуть експерименти зі створення спінового стиску в квантових сенсорах на основі дефекту в кристалічній структурі алмазу. Аналог спинового стиску використали для збільшення чутливості детекторів гравітаційних хвиль в експерименті LIGO, за створення якого у 2017 році присуджено Нобелівську премію.