Graftillstånd, en klass av intrasslade kvanttillstånd som kan representeras av grafer, har varit ämnet för många nya fysikstudier, på grund av deras spännande egenskaper. Dessa unika egenskaper kan göra dem särskilt lovande för kvantberäkningstillämpningar, såväl som ett bredare utbud av kvantteknologier.
I ett kanoniskt graftillstånd representerar varje vertex i en graf en individuell qubit (kvantbit), medan intrasslingen mellan dessa qubits representeras som kanterna på grafen. Konceptet har också generaliserats till tillstånd där kvantinformation lagras inte i individuella kvantbitar utan i kontinuerliga variabler, såsom ljusets amplitud och fas.
Även om graftillstånd har visat potential för att förbättra viss kvantinformationsbehandling och kvantbaserade mätverktyg, är det en utmaning att generera dem för godtyckliga grafer, eftersom det kräver en hög nivå av kontroll över de interaktioner som genererar intrassling.
Forskare vid Stanford University och SLAC National Accelerator Laboratory demonstrerar genereringen av kontinuerligt variabla graftillstånd för atomspin-ensembler, som bildar hörn på en graf. Deras artikel, publicerad i Nature Physics , öppnar nya möjligheter för användningen av dessa stater för att realisera nya kvantberäknings- och mätsystem.
"Vårt senaste arbete passar in i en bred ansträngning för att konstruera intrasslade kvanttillstånd, där information kodas icke-lokalt i korrelationerna mellan två eller flera partiklar," sa Monika Schleier-Smith, senior författare av tidningen, till Phys.org. "Dessa kvantkorrelationer är den väsentliga resursen för föreställda kvantteknologier, allt från kvantdatorer till ultraexakta sensorer."
För att framgångsrikt kunna distribueras i verkliga miljöer bör både kvantdatorer och ultraexakta kvantförbättrade mätverktyg vara både skalbara och lätta att programmera. Med andra ord bör de kunna upprätthålla intrassling mellan inte bara två utan många atomer och bör tillåta forskare att kontrollera korrelationer i systemet.
Det primära syftet med den nyligen genomförda studien av Schleier-Smith, hennes doktorand Eric Cooper och deras kollegor var att utveckla en metod för att trassla in atomer som är både skalbar och programmerbar. Metoden de utvecklade innebär användning av laserteknik för att kontrollera intrasslingen mellan atomer i två eller flera delsystem.
"Den primära experimentella tekniken som används i mitt labb är att manipulera atomer med laserljus," sa Schleier-Smith. "För det första använder vi laserljus för att kyla atomer till temperaturer nära absolut noll och för att bilda en optisk pincett där dessa atomer fångas i fokus för en laserstråle."
Forskarna använde fyra optiska pincett för att placera fyra moln av atomer mellan ett par speglar, vilket bildar vad som kallas en optisk resonator. Detta är i huvudsak en "låda" som lagrar fotoner, vilket gör att de kan studsa fram och tillbaka mellan de två speglarna upprepade gånger.
"Jag tänker på ljuset inuti resonatorn som agerar som en budbärare som springer fram och tillbaka mellan atomerna och skickar information mellan dem - men, viktigare, det gör det i hemlighet, utan att dela informationen med omvärlden," Schleier-Smith förklarade. "Det där diskreta utbytet av information mellan atommolnen gör att de kan trassla in sig."
Med hjälp av sin experimentella metod kunde forskarna effektivt konstruera ett fyrmodigt kvadratgraftillstånd. Deras påvisade tillvägagångssätt lovar därför att vara både en skalbar och effektiv lösning för att programmera intrasslingen mellan kvantnoder och generera graftillstånd.
"Naivt kan man förvänta sig att behöva oberoende kontroll av interaktionerna mellan varje par av noder i nätverket för att ha full kontroll över strukturen av kvantkorrelationer," sa Schleier-Smith.
"Det här skulle vara som att ha vilka två personer som helst i ett socialt nätverk som kan skicka direktmeddelanden till varandra. Men vi lärde oss att en mycket bred klass av intrasslade stater kan förberedas genom att bara använda globala interaktioner - som att sända ett meddelande till alla i socialt nätverk – plus en extra ingrediens för lokal kontroll av de enskilda noderna."
Den nyligen genomförda studien av Schleier-Smith och hennes forskargrupp skulle kunna bana väg mot den utbredda användningen av graftillstånd för kvantberäkning och kvantmetrologi. I framtiden skulle deras metod kunna användas för att förbereda intrasslade tillstånd för specifika tillämpningar, allt från kvantfelskorrigering till kvantförstärkt avkänning.
"På kort sikt undersöker vi tillämpningar för kvantförstärkt avkänning och avbildning - till exempel, hur designar vi kvanttillstånd som är optimerade för att känna igen speciella rumsliga mönster i magnetiska eller optiska fält?" Schleier-Smith tillade.
"På längre sikt hoppas vi kunna utöka vår metod för att konstruera intrasslade graftillstånd till arrayer av individuellt fångade atomer som fungerar som qubits för kvantberäkning. Detta kräver framsteg i designen av resonatorn för att öka styrkan i atom-ljusinteraktionerna. "
Mer information: Eric S. Cooper et al, Grafiska tillstånd för atomensembler framställda av fotonmedierad intrassling, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02407-1
Journalinformation: Naturfysik
© 2024 Science X Network
