Всего сто лет назад запутанность была в центре интенсивных теоретических дебатов, ставя таких ученых, как Альберт Эйнштейн, в тупик. Однако сегодня запутанность принята как естественный факт и активно исследуется как ресурс для будущих технологий, включая квантовые компьютеры, квантовые сети связи и высокоточные квантовые датчики.
Запутанность – также одно из самых неуловимых явлений природы. Создание запутанности между частицами требует, чтобы они начинали в высокоупорядоченном состоянии, что не одобряется термодинамикой, процессом, который управляет взаимодействием между теплом и другими формами энергии. Это представляет собой особенно серьезную проблему при попытке реализовать запутанность в макроскопическом масштабе среди огромного количества частиц.
"Макроскопический мир, к которому мы привыкли, кажется очень аккуратным, но он полностью неупорядочен в атомном масштабе. Законы термодинамики обычно не позволяют нам наблюдать квантовые явления в макроскопических объектах », – сказал Пол Климов, аспирант Института молекулярной инженерии Чикагского университета и ведущий автор нового исследования квантовой запутанности. Институт является партнерством Калифорнийского университета в Чикаго и Аргоннской национальной лаборатории.
Ранее ученые преодолели термодинамический барьер и достигли макроскопической запутанности твердых тел и жидкостей, перейдя к сверхнизким температурам (-270 градусов Цельсия) и приложив огромные магнитные поля (в 1000 раз больше, чем у обычного магнита холодильника) или используя химические реакции.
В ноябре. В 20 выпуске журнала Science Advances Климов и другие исследователи из группы Дэвида Авшалома из Института молекулярной инженерии продемонстрировали, что макроскопическая запутанность может возникать при комнатной температуре и в небольшом магнитном поле.
Исследователи использовали инфракрасный лазерный свет, чтобы упорядочить (предпочтительно выровнять) магнитные состояния тысяч электронов и ядер, а затем электромагнитные импульсы, аналогичные тем, которые используются для обычной магнитно-резонансной томографии (МРТ), чтобы запутать их. Эта процедура вызвала перепутывание пар электронов и ядер в макроскопическом кубе размером 40 микрометров (объем эритроцита) полупроводникового SiC.
«Мы знаем, что спиновые состояния атомных ядер, связанные с полупроводниковыми дефектами, обладают превосходными квантовыми свойствами при комнатной температуре», – сказал Авшалом, профессор молекулярной инженерии семьи Лью и старший научный сотрудник Аргоннской национальной лаборатории. "Они когерентны, долговечны и управляются с помощью фотоники и электроники. Учитывая эти квантовые «кусочки», создание запутанных квантовых состояний казалось достижимой целью."
Помимо фундаментального физического интереса, «способность создавать устойчивые запутанные состояния в полупроводниках электронного уровня в условиях окружающей среды имеет важное значение для будущих квантовых устройств», – сказал Авшалом.
В краткосрочной перспективе методы, используемые здесь в сочетании со сложными устройствами, поддерживаемыми усовершенствованными протоколами изготовления устройств SiC, могут позволить квантовые датчики, которые используют запутанность в качестве ресурса для преодоления предела чувствительности традиционных (неквантовых) датчиков. Учитывая, что запутывание работает в условиях окружающей среды и тот факт, что SiC является биологически чистым, одним из особенно интересных приложений является биологическое зондирование внутри живого организма.
«Мы в восторге от датчиков магнитно-резонансной томографии с усилением сцепленности, которые могут иметь важные биомедицинские приложения», – сказал Абрам Фальк из IBM Томас Дж.
Watson Research Center и соавтор результатов исследования.
В долгосрочной перспективе возможно даже перейти от запутанных состояний на одном чипе SiC к запутанным состояниям на удаленных кристаллах SiC.
Таким усилиям могут способствовать физические явления, которые позволяют макроскопическим квантовым состояниям, в отличие от одиночных квантовых состояний (в отдельных атомах), очень сильно взаимодействовать друг с другом, что важно для создания запутанности с высокой вероятностью успеха. Такие запутанные состояния на больших расстояниях были предложены для синхронизации спутников глобального позиционирования и для передачи информации способом, который в основном защищен от перехватчиков законами физики.