913
Исследователи исследуют многоуровневые атомные взаимодействия для усиления квантовой запутанности. Используя метастабильные состояния стронция, они демонстрируют, как обмен фотонами может поддерживать корреляцию, предлагая новый потенциал для квантовых вычислений, борясь со сложными взаимодействиями на большом расстоянии.
Понимание взаимодействия атомов и света
То, как атомы взаимодействуют со светом, формирует большую часть нашего физического мира, но эти взаимодействия очень сложны. Понимание и контроль над ними – главный вызов в развитии квантовых технологий.
Чтобы изучить, как атомы обмениваются энергией через свет, ученые часто упрощают систему, сосредотачиваясь на двух уровнях энергии: основном состоянии и возбужденном состоянии. В этой модели атомы ведут себя как крошечные антенны, которые могут посылать и принимать сигналы. Когда атом в кристаллической решетке возбуждается, он в конце концов возвращается в свое основное состояние, испуская фотон. Вместо того чтобы покинуть систему, этот фотон может быть поглощен ближайшим атомом в своем основном состоянии, передавая возбуждение. Этот процесс, известный как диполь-дипольное взаимодействие, позволяет атомам общаться и взаимодействовать даже без прямого контакта.
"Хотя основная идея очень проста, поскольку многие фотоны обмениваются между многими атомами, состояние системы может стать коррелированным или очень запутанным, быстро", - объясняет сотрудник JILA и NIST и профессор физики Университета Колорадо в Боулдере Ана Мария Рэй. «Я не могу думать об одном атоме как о независимом объекте. Мне же нужно следить за тем, как его состояние зависит от состояния многих других атомов в массиве. Это невозможно решить с помощью современных вычислительных методов. При отсутствии внешнего привода генерируемая запутанность обычно исчезает, поскольку все атомы релаксируют в основное состояние».
Вызов многоуровневых атомных систем
Однако атомы могут иметь больше двух атомных уровней. Взаимодействия в системе могут кардинально измениться, если в динамике разрешено участвовать более двух внутренних уровней. В двухуровневой системе (слабое возбуждение) только с одним фотоном и одним из возбужденных атомов в массиве нужно просто отследить один возбужденный атом. Хотя это численно подвергается анализу, это не столь полезно для квантовых технологий, поскольку атомы можно рассматривать больше как классические антенны.
Напротив, позволяя лишь один дополнительный базовый уровень на атоме, даже при одном возбуждении, количество конфигураций, доступных системе, возрастает экспоненциально, резко увеличивая сложность. Понимание взаимодействия атомов и света в многоуровневых условиях чрезвычайно сложной проблемой, и до сих пор она ускользала как от теоретиков, так и от экспериментаторов. Рэй объясняет: «Однако это может быть очень полезным не только потому, что он может генерировать сильно запутанные состояния, которые могут сохраняться в отсутствие привода, поскольку атомы на базовых уровнях не распадаются».
Расширение до четырехуровневых атомных систем
В недавнем исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, , Рэй и сотрудник JILA и NIST Джеймс К. Томпсон вместе с аспиранткой Саной Агарвал и исследователем Асьером Пинейро Ориоли из Страсбургского университета изучали взаимодействие атомов и света в случае эффективного четырехуровневого атома, два основных (или метастабильных) и два возбужденных уровня, расположенные в определенных одномерных и двумерных кристаллических решётках.
«Мы знаем, что включение полной многоуровневой структуры атомов может дать нам более богатую физику и новые явления, перспективные для генерации запутанных состояний», — говорит Агарвал, первый автор статьи. Поскольку такие квантовые технологии, как вычисление и безопасная связь, требуют связывания, понимание того, как создать стабильные взаимосвязанные атомные системы стало приоритетом.
Использование долгоживущих метастабильных состояний
Для этого исследования исследователи сосредоточились на выделении четырех энергетических уровней в атомах стронция, расположенных в одномерной (1D) или двумерной (2D) конфигурациях, где атомы загружены в особой конфигурации, в которой они расположены ближе друг к другу. чем длина волны лазерного света, используемого для их возбуждения.
Исследования сосредоточены на наборе внутренних уровней с гораздо меньшим энергетическим разделением, чем типичные оптические переходы. Вместо того чтобы использовать настоящие уровни основного состояния, они предложили использовать метастабильные уровни, на которых атомы могут жить очень долго. Этот интересный набор уровней раньше мало исследовался, поскольку для него нужен специальный лазер с очень большой длиной волны, но Томпсон планирует иметь этот лазер в своей лаборатории.
«Мы планируем создать необходимые возможности в нашей лаборатории, чтобы сначала перевести атом в возбужденное состояние, живущее очень долго», — говорит Томпсон. «Это позволит нам использовать 2,9-микронный переход длины волны между этим так называемым метастабильным возбужденным состоянием 3P2 в стронция и другим возбужденным состоянием 3D3. Эта длина волны примерно в восемь раз больше обычного расстояния между ближайшими атомами, захваченными оптической решеткой в нашей лаборатории. Имея длину волны перехода, гораздо большую, чем длина волны захвата света, мы сможем реализовать сильное и программируемое взаимодействие через этот обмен фотонами, который происходит, когда атомы застревают около друг друга».
Агарвал добавляет: «Атомы должны быть очень близки, поскольку взаимодействие ослабевает с расстоянием, в конце концов теряясь через другие источники декогеренции [шума]. Содержание атомов близко позволяет взаимодействиям доминировать, сохраняя рост запутанности». Команда сосредоточилась на слабом и далеком от резонанса режиме, когда атомам разрешается фактически торговать фотонами, то есть перемещать их между основными состояниями без постоянного пребывания в возбужденном состоянии.
«Обмениваясь фотонами, атомы фактически перемещаются только между различными конфигурациями на уровнях основного состояния, что упрощает наши расчеты, уменьшая количество состояний, доступных системе», — добавляет Агарвал. «Легче устранить возбужденные состояния и сосредоточиться на динамике метастабильного состояния, где мы наблюдаем растущие корреляции, которые, кроме того, могут сохраняться, когда лазер выключен.
Спиновые модели и создание запутанности
В режиме, когда возбужденные уровни только «виртуально» заселены, и только атомы могут занимать уровни метастабильного состояния, проблему четырех уровней можно свести обратно к двухуровневой системе ценой работы с гораздо более сложными взаимодействиями, которая предполагает не только попарное взаимодействие, но и многоатомное взаимодействие.
Рэй объясняет: «Мы сосредоточились на далеком от резонансного режима, где для ведущего порядка в определенный момент времени взаимодействуют только два атома. В этом случае гамильтониан, описывающий динамику метастабильного состояния, возвращается к хорошо охарактеризованной спиновой модели».
Команда использовала эту хорошо известную модель для изучения так называемых спиновых волн — согласованных низкоэнергетических возбуждений атомных спинов в структуре решетки. Кроме того, контролируя поляризацию и направление распространения возбуждающих атомы фотонов лазера, исследователи могли определить, какая «спин-волновая картина» стала доминантно запутанной. Наблюдаемое запутывание было вращающимся сжатием, специфической формой запутывания, которая имеет повышенную чувствительность к внешнему шуму и, следовательно, полезна для метрологии.
«Спиновое сжатие в нашей системе может быть экспериментально измерено и служит свидетелем квантовой запутанности. У нашей установки также есть возможные применения в симуляции физики многих тел», — говорит Агарвал.
Это открытие особенно важно, поскольку оно означает, что квантовые системы могут поддерживать запутанность в течение длительных периодов, не требуя постоянного вмешательства для предотвращения декогеренции.
Преодоление проблем симуляции
Хотя модель команды предлагала многообещающее понимание, она столкнулась с ограничениями в точном моделировании системы со временем. Одно из ключевых ограничений возникло из-за диполь-дипольного взаимодействия, которое, в отличие от более простых взаимодействий, включает дальновидные силы, соединяющие атомы как вблизи, так и далеко в решетке. Кроме того, эти связи являются анизотропными и зависят от относительной ориентации атомных диполей, что делает систему более сложной. Каждый атом по-разному взаимодействует со своими соседями, расположенными вдоль разных направлений в решетке, что приводит к разной силе взаимодействия и знакам в массиве.
Другие популярные методы моделирования, разработанные для взаимодействий на коротком расстоянии, терпят неудачу при применении к взаимодействиям на большом расстоянии, поскольку они не оборудованы для обработки многих корреляций, возникающих со временем. Хотя некоторые другие методы более подходят для дальних атомных взаимодействий, они ограничены малыми числами атомов из-за их вычислительной сложности, что ограничивает способность исследователей наблюдать длительное развитие корреляций в большой системе.
Будущие направления квантовой информационной науки
Выводы команды могут открыть новые пути в квантовой информационной науке и квантовых вычислениях, предлагая потенциальный путь для разработки очень запутанных и масштабируемых квантовых систем.
"Мы все ближе приближаемся к системам, которые могли бы надежно поддерживать запутанность, что является решающим шагом для будущих квантовых применений", - говорит Агарвал.
Заглядывая вперед, исследовательская группа планирует исследовать, как широкие многоуровневые системы могут увеличить потенциал запутывания.
"У таких атомов, как стронций, каждый из которых имеет до 10 основных и возбужденных уровней, сложность значительно возрастает, и мы хотим увидеть, как это влияет на запутанность", - говорит Агарвал. «Кроме того, хотя мы сосредоточились здесь на взаимодействии между атомами в свободном пространстве, одним из захваченных расширений является понимание того, как эти взаимодействия могут взаимодействовать с дополнительными взаимодействиями, опосредованными фотонами, которые создаются, когда атомы вместо этого помещаются внутрь оптической полости или в нанофотоническую камеру. устройств», – добавляет она
"Конкуренция между взаимодействиями бесконечного диапазона, опосредованными фотонами полости, и диполь-дипольными взаимодействиями, описанными здесь, может открыть фантастические возможности для использования опосредованных светом квантовых ворот, распределения запутанности и программируемой квантовой физики многих тел", - говорит Томпсон.
