Дослідники досліджують багаторівневі атомні взаємодії для посилення квантової заплутаності. Використовуючи метастабільні стани стронцію, вони демонструють, як обмін фотонами може підтримувати кореляції, пропонуючи новий потенціал для квантових обчислень , борючись зі складними взаємодіями на великій відстані.
Розуміння взаємодії атомів і світла
Те, як атоми взаємодіють зі світлом, формує більшу частину нашого фізичного світу, але ці взаємодії дуже складні. Розуміння та контроль над ними є головним викликом у розвитку квантових технологій.
Щоб вивчити, як атоми обмінюються енергією через світло, вчені часто спрощують систему, зосереджуючись лише на двох рівнях енергії: основному стані та збудженому стані. У цій моделі атоми поводяться як крихітні антени, які можуть посилати та приймати сигнали. Коли атом у кристалічній решітці збуджується, він зрештою повертається до свого основного стану, випускаючи фотон. Замість того, щоб покинути систему, цей фотон може бути поглинений найближчим атомом у своєму основному стані, передаючи збудження. Цей процес, відомий як диполь-дипольна взаємодія, дозволяє атомам спілкуватися та взаємодіяти — навіть без прямого контакту.
«Хоча основна ідея дуже проста, оскільки багато фотонів обмінюються між багатьма атомами, стан системи може стати корельованим або дуже заплутаним, швидко», — пояснює співробітник JILA та NIST і професор фізики Університету Колорадо в Боулдері Ана Марія Рей. «Я не можу думати про один атом як про незалежний об’єкт. Натомість мені потрібно стежити за тим, як його стан залежить від стану багатьох інших атомів у масиві. Це неможливо вирішити за допомогою сучасних обчислювальних методів. За відсутності зовнішнього приводу генерована заплутаність зазвичай зникає, оскільки всі атоми релаксують до основного стану».
Виклик багаторівневих атомних систем
Однак атоми можуть мати більше двох атомних рівнів. Взаємодії в системі можуть кардинально змінитися, якщо в динаміці дозволено брати участь більш ніж двом внутрішнім рівням. У дворівневій системі (слабке збудження) лише з одним фотоном і щонайбільше одним збудженим атомом у масиві потрібно просто відстежити один збуджений атом. Хоча це чисельно піддається аналізу, це не так корисно для квантових технологій, оскільки атоми можна розглядати більше як класичні антени.
Навпаки, дозволяючи лише один додатковий базовий рівень на атом, навіть при одному збудженні, кількість конфігурацій, доступних системі, зростає експоненціально, різко збільшуючи складність. Розуміння взаємодії атомів і світла в багаторівневих умовах є надзвичайно складною проблемою, і дотепер вона вислизала як від теоретиків, так і від експериментаторів. Рей пояснює: «Однак це може бути надзвичайно корисним не тільки тому, що він може генерувати сильно заплутані стани, які можуть зберігатися за відсутності приводу, оскільки атоми на базових рівнях не розпадаються».
Розширення до чотирирівневих атомних систем
У недавньому дослідженні, опублікованому в Physical Review Letters , Рей і співробітник JILA та NIST Джеймс К. Томпсон разом із аспіранткою Саною Агарвал і дослідником Асьєром Піньейро Оріолі зі Страсбурзького університету вивчали взаємодію атомів і світла у випадку ефективного чотирирівневі атоми, два основні (або метастабільні) і два збуджені рівні, розташовані в певних одновимірних і двовимірні кристалічні решітки.
«Ми знаємо, що включення повної багаторівневої структури атомів може дати нам більш багату фізику та нові явища, які є перспективними для генерації заплутаних станів», — говорить Агарвал, перший автор статті. Оскільки такі квантові технології, як обчислення та безпечний зв’язок, вимагають зв’язування, розуміння того, як створити стабільні взаємопов’язані атомні системи, стало пріоритетом.
Використання довгоіснуючих метастабільних станів
Для цього дослідження дослідники зосередилися на виділенні чотирьох енергетичних рівнів в атомах стронцію, розташованих в одновимірній (1D) або двовимірній (2D) конфігураціях, де атоми завантажені в особливій конфігурації, в якій вони розташовані ближче один до одного. ніж довжина хвилі лазерного світла, яке використовується для їх збудження.
Дослідження зосереджено на наборі внутрішніх рівнів із набагато меншим енергетичним розділенням, ніж типові оптичні переходи. Замість того, щоб використовувати справжні рівні основного стану, вони запропонували використовувати метастабільні рівні, на яких атоми можуть жити дуже довго. Цей дуже цікавий набір рівнів раніше мало досліджувався, оскільки для нього потрібен спеціальний лазер із дуже великою довжиною хвилі, але Томпсон планує мати цей лазер у своїй лабораторії.
«Ми плануємо створити необхідні можливості в нашій лабораторії, щоб спочатку перевести атом у збуджений стан, який живе дуже довго», — каже Томпсон. «Це дозволить нам використовувати 2,9-мікронний перехід довжини хвилі між цим так званим метастабільним збудженим станом 3P2 у стронцію та іншим збудженим станом 3D3. Ця довжина хвилі приблизно у вісім разів більша, ніж звичайна відстань між найближчими атомами, захопленими оптичною решіткою в нашій лабораторії. Маючи довжину хвилі переходу, набагато більшу за довжину хвилі захоплення світла, ми зможемо реалізувати сильну та програмовану взаємодію через цей обмін фотонами, який відбувається, коли атоми застрягають близько один до одного».
Агарвал додає: «Атоми повинні бути дуже близько, оскільки взаємодія слабшає з відстанню, зрештою втрачаючись через інші джерела декогеренції [шуму]. Тримання атомів близько дозволяє взаємодіям домінувати, зберігаючи зростання заплутаності». Команда зосередилася на слабкому та далекому від резонансу режимі, коли атомам дозволяється фактично «торгувати» фотонами, тобто переміщати їх між основними станами без постійного перебування у збудженому стані.
«Обмінюючись фотонами, атоми фактично переміщуються лише між різними конфігураціями на рівнях основного стану, що спрощує наші розрахунки, зменшуючи кількість станів, доступних системі», — додає Агарвал. «Легше усунути збуджені стани та зосередитися на динаміці метастабільного стану, де ми спостерігаємо зростаючі кореляції, які, крім того, можуть зберігатися, коли лазер вимкнено.
Спінові моделі та створення заплутаності
У режимі, коли збуджені рівні лише «віртуально» заселені, і лише атоми можуть займати рівні метастабільного стану, проблему чотирьох рівнів можна звести назад до дворівневої системи ціною роботи з набагато складнішими взаємодіями, який передбачає не лише попарну взаємодію, але й багатоатомну взаємодію.
Рей пояснює: «Ми зосередилися на далекому від резонансного режиму, де для провідного порядку в певний момент часу взаємодіють лише два атоми. У цьому випадку гамільтоніан, що описує динаміку метастабільного стану, повертається до добре охарактеризованої спінової моделі».
Команда використовувала цю добре відому модель для вивчення так званих «спінових хвиль» — узгоджених низькоенергетичних збуджень атомних спінів — у структурі решітки. Крім того, контролюючи поляризацію та напрямок поширення фотонів лазера, що збуджують атоми, дослідники могли визначити, яка «спін-хвильова картина» стала домінантно заплутаною. Спостережуване заплутування було обертовим стисканням, специфічною формою заплутування, яка має підвищену чутливість до зовнішнього шуму і, отже, корисна для метрології.
«Спиновий стиснення в нашій системі може бути експериментально виміряний і служить свідком квантової заплутаності. Наша установка також має можливі застосування в симуляції фізики багатьох тіл», — каже Агарвал.
Це відкриття особливо важливе, оскільки воно означає, що квантові системи можуть підтримувати заплутаність протягом тривалих періодів, не потребуючи постійного втручання для запобігання декогеренції.
Подолання проблем симуляції
Хоча модель команди пропонувала багатообіцяюче розуміння, вона також зіткнулася з обмеженнями в точному моделюванні системи з часом. Одне з ключових обмежень виникло через диполь-дипольну взаємодію, яка, на відміну від більш простих взаємодій, включає далекосяжні сили, які з’єднують атоми як поблизу, так і далеко в решітці. Крім того, ці зв’язки є анізотропними і залежать від відносної орієнтації атомних диполів, що робить систему більш складною. Кожен атом по-різному взаємодіє зі своїми сусідами, розташованими вздовж різних напрямків у решітці, що призводить до різної сили взаємодії та знаків у масиві.
Інші популярні методи моделювання, розроблені для взаємодій на короткій відстані, зазнають невдачі при застосуванні до взаємодій на великій відстані, оскільки вони не обладнані для обробки багатьох кореляцій, які виникають з часом. Хоча деякі інші методи більш підходять для далеких атомних взаємодій, вони обмежені малими числами атомів через їхню обчислювальну складність, що обмежує здатність дослідників спостерігати тривалий розвиток кореляцій у великій системі.
Майбутні напрямки квантової інформаційної науки
Висновки команди можуть відкрити нові шляхи в квантовій інформаційній науці та квантових обчисленнях, пропонуючи потенційний шлях для розробки дуже заплутаних і масштабованих квантових систем.
«Ми все ближче наближаємося до систем, які могли б надійно підтримувати заплутаність, що є вирішальним кроком для майбутніх квантових застосувань», — каже Агарвал.
Заглядаючи вперед, дослідницька група планує дослідити, як більш широкі багаторівневі системи можуть збільшити потенціал заплутування.
«У таких атомів, як стронцій, кожен з яких має до 10 основних і збуджених рівнів, складність значно зростає, і ми хочемо побачити, як це впливає на заплутаність», — говорить Агарвал. «Крім того, хоча ми зосередилися тут на взаємодії між атомами у вільному просторі, одним із захоплених розширень є розуміння того, як ці взаємодії можуть взаємодіяти з додатковими взаємодіями, опосередкованими фотонами, [які] створюються, коли атоми замість цього поміщаються всередину оптичної порожнини або в нанофотонічну камеру. пристроїв», – додає вона
«Конкуренція між взаємодіями нескінченного діапазону, опосередкованими фотонами порожнини, і диполь-дипольними взаємодіями, описаними тут, може відкрити фантастичні можливості для використання опосередкованих світлом квантових воріт, розподілу заплутаності та програмованої квантової фізики багатьох тіл», — каже Томпсон.
