Физики упростили квантовую запутанность

Благодаря квантовым сенсорам ученые могут измерять то, что раньше казалось невозможным: колебания атомов, свойства отдельных фотонов, флуктуации, связанные с гравитационными волнами. Квантовая механика позволяет создать в материале «спиновое сжатие». Это перспективный метод, способный значительно 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 — форма квантовой запутанности, которая ограничивает колебания ансамбля частиц. Это позволяет проводить более точные измерения некоторых наблюдаемых сигналов, но при этом падает точность измерений дополнительных сигналов.

Взаимосвязанная система похожа на не полностью надутый шар. Шар символизирует неопределенность, присущую любому квантовому измерению. Ученые «сжимают» эту неопределенность, высота увеличивается, но ширина уменьшается. Шар меняет форму на эллипс, и чувствительность измерений одного из типов сигналов растет.

Исследователи квантовой запутанности предполагали, что спиновое сжатие возможно только в системах с «взаимодействием всех со всеми». Однако недавно международная группа ученых показала, что он может возникать и в локально взаимодействующих системах плоских магнитов. Их исследование опубликовано в журнале Nature Physics.

Работа команды из Гарварда основана на знаковой статье 1993 года, в которой впервые описывали возможность создания спин-сжатого запутанного состояния за счет взаимодействия «всех со всеми» между атомами. Этот тип связности легко позволяет накапливать квантовомеханические корреляции, необходимые для создания спин-сжатого состояния. Однако в природе атомы обычно взаимодействуют так, что взаимодействуют только с нескольких соседних атомов одновременно.

Исследователи описали новую стратегию создания запутанности спинового сжатия. Они предположили и быстро подтвердили с помощью экспериментов, что все необходимые элементы и условия для спинового сжатия присутствуют в распространенном типе магнетизма — ферромагнетизме. Он не требует экстремальных условий, встречается в природе и ответственен за притяжение магнитов к стали.

Данные подтверждают, что взаимодействие «всех со всеми» не обязательно для достижения спинового сжатия. Помимо этого, если спины связаны достаточно хорошо, чтобы синхронизироваться в магнитное состояние, можно динамически генерировать спиновое сжатие.

Исследователи настроены оптимистично. Благодаря спиновому сжатию становится возможным создание более портативных сенсоров для биомедицинской визуализации и атомных часов.

Следующим шагом будут эксперименты по созданию спинового сжатия в квантовых сенсорах на основе дефекта в кристаллической структуре алмаза. Аналог спинового сжатия использовали для увеличения чувствительности детекторов гравитационных волн в эксперименте LIGO, за создание которого в 2017 году присуждена Нобелевская премия.