Quantum entanglement är en process genom vilken mikroskopiska objekt som elektroner eller atomer förlorar sin individualitet för att bli bättre samordnade med varandra. Entanglement är kärnan i kvantteknologier som lovar stora framsteg inom datorer, kommunikation och avkänning, till exempel, upptäcka gravitationsvågor.

Trassliga stater är kända bräckliga:I de flesta fall även en liten störning kommer att lösa förvecklingen. Av denna anledning, nuvarande kvantteknologier tar stor möda för att isolera de mikroskopiska system de arbetar med, och arbetar vanligtvis vid temperaturer nära absolut noll. ICFO-teamet, i kontrast, värmde upp en samling atomer till 450 Kelvin i ett nyligen experiment, miljoner gånger varmare än de flesta atomer som används för kvantteknik. Dessutom, de enskilda atomerna var allt annat än isolerade; de kolliderade med varandra med några mikrosekunder, och varje kollision fick deras elektroner att snurra i slumpmässiga riktningar.

Forskarna använde en laser för att övervaka magnetiseringen av denna heta, kaotisk gas. Magnetiseringen orsakas av de snurrande elektronerna i atomerna, och ger ett sätt att studera effekten av kollisionerna och att upptäcka intrassling. Det som forskarna observerade var ett enormt antal intrasslade atomer - cirka 100 gånger fler än någonsin tidigare. De såg också att förvecklingen är icke-lokal – den involverar atomer som inte är nära varandra. Mellan två intrasslade atomer finns det tusentals andra atomer, av vilka många är intrasslade med ytterligare andra atomer, i en jätte, varmt och rörigt intrasslat tillstånd.

Vad de också såg, som Jia Kong, första författaren till studien, minns, "är att om vi stoppar mätningen, intrasslingen kvarstår i cirka 1 millisekund, vilket betyder att 1000 gånger per sekund, en ny sats på 15 biljoner atomer trasslar in. Och du måste tro att 1 ms är en mycket lång tid för atomerna, tillräckligt länge för att cirka 50 slumpmässiga kollisioner ska inträffa. Detta visar tydligt att förvecklingen inte förstörs av dessa slumpmässiga händelser. Det här är kanske det mest överraskande resultatet av arbetet."

Observationen av detta heta och röriga intrasslade tillstånd banar väg för ultrakänslig magnetfältsdetektering. Till exempel, vid magnetoencefalografi (magnetisk hjärnavbildning), en ny generation av sensorer använder samma heta, atomära gaser med hög densitet för att detektera magnetfält som produceras av hjärnaktivitet. De nya resultaten visar att intrassling kan förbättra känsligheten hos denna teknik, som har tillämpningar inom grundläggande hjärnvetenskap och neurokirurgi.

ICREA Prof. vid ICFO Morgan Mitchell säger, "Det här resultatet är överraskande, ett verkligt avsteg från vad alla förväntar sig av förveckling. Vi hoppas att den här typen av gigantiska intrasslade tillstånd kommer att leda till bättre sensorprestanda i applikationer som sträcker sig från hjärnavbildning till självkörande bilar till sökningar efter mörk materia."

En Spin Singlet och QND

En spinsinglett är en form av intrassling där de multipla partiklarnas spinn – deras inneboende vinkelmomentum – summerar till 0, vilket betyder att systemet har noll totalt vinkelmoment. I den här studien, forskarna tillämpade quantum non-demolition (QND) mätning för att extrahera informationen om spinn av biljoner atomer.

Tekniken passerar laserfotoner med en specifik energi genom gasen av atomer. Fotonerna med denna exakta energi exciterar inte atomerna, men de själva påverkas av mötet. Atomernas snurr fungerar som magneter för att rotera ljusets polarisering. Genom att mäta hur mycket fotonernas polarisering har förändrats efter att ha passerat genom molnet, forskarna kan bestämma den totala snurrningen av gasen i atomer.

SERF-regimen

Nuvarande magnetometrar fungerar i en regim som kallas SERF, långt borta från de nära absoluta nolltemperaturerna som forskare vanligtvis använder för att studera intrasslade atomer. I denna regim, någon atom upplever många slumpmässiga kollisioner med andra närliggande atomer, gör kollisioner till den viktigaste effekten på atomens tillstånd.

Dessutom, eftersom de är i ett varmt medium snarare än ett ultrakallt, kollisionerna randomiserar snabbt elektronernas spinn i en given atom. Experimentet visar, förvånande, att denna typ av störning inte bryter de intrasslade tillstånden; den överför bara intrasslingen från en atom till en annan.