许多最有前景的量子技术，包括先进的传感器和未来的量子计算机，依赖于一种称为纠缠的现象，在这一现象中，粒子变得深度连接并以经典物理无法解释的方式相互影响。创造这些技术所需的复杂纠缠态通常需要复杂的设备和精心设计的实验系统。芝加哥大学普利茨克分子工程学院（UChicago PME）的研究人员现在提出了一种更简单的方法。他们新的理论方法可以使用已在许多量子物理实验室中普遍存在的工具生成和控制广泛的纠缠量子态。这项工作发表在《物理评论X》上，可能有助于推动超精确量子传感的发展，并为探索基础物理开辟新的机会。“我们想通过结合在许多物理平台中发现的简单成分，以最小的方式组合它们，从而获得一些有趣、复杂且强大的东西，”Aashish Clerk说道，他是UChicago PME的分子工程教授，也是这项新研究的主要作者。该研究得到了Q-NEXT的支持，Q-NEXT是由美国能源部（DOE）阿贡国家实验室领导的国家量子信息科学研究中心。重新思考腔量子电动力学系统该团队的方法基于腔量子电动力学，通常称为腔QED。在这些实验中，原子或其他粒子被放置在光学腔内，腔由两个镜子组成，在它们之间困住光。然后，粒子与腔内的受限光相互作用。许多腔QED系统的一个限制是，所有原子与光的相互作用方式完全相同。由于原子在功能上是不可区分的，因此可以产生的量子态范围受到限制。“挑战一直是这些系统有太多的对称性。所有的原子都以相同的方式与光进行交互，”Clerk说。“这确实限制了你能得到的纠缠态的种类。”在典型的腔QED设置中，每个原子有一个基态和一个激发态，这两者之间存在特定的能量差。研究人员找到了一种简单的方式来减少系统的对称性。虽然所有原子继续由相同的激光驱动，但使用额外激光或磁场来改变不同原子组的激发态能量。原子的排列使得每个原子与另一个能量偏移相等但方向相反的原子配对。这一简单的修改允许原子彼此表现不同，同时保持系统可控和可预测的结构。通过改变哪些原子接收特定的能量偏移，科学家们可以调整系统以在不改变物理硬件的情况下产生各种纠缠态。“你打开这些激光，等待，某个时刻系统会稳定到一个有趣的、高度纠缠的量子态，”Clerk小组的博士后研究员Anjun Chu说道，他是这项新工作的第一作者。“通过简单地调整激光，我们可以访问以前没有人想到过的纠缠态。”构建更好的量子传感器这种新方法的一个最有前景的应用是量子传感。理论上，纠缠的量子态可以检测不同位置之间的极小磁场或引力场差异。然而，开发既高度敏感又对噪声有抵抗力的态仍然是一个主要挑战。研究人员演示了一种包含两组原子的提议系统可以用于测量场梯度。当这两组原子放置在不同位置时，所产生的量子态反映了局部磁场或引力场之间的差异。同时，它自然地排除影响两个位置的背景噪声。“你能够做到通常互不兼容的两件事：利用纠缠构建一个极其敏感的传感器，同时又对任意大的噪声具有稳健性，”Clerk说。“通常，纠缠非常脆弱。这种方法具有一些惊人的韧性。”另一个优势是，可以使用标准的Ramsey测量技术提取这些量子态中存储的信息，消除了需要特殊或异域测量方法的需求。超越传感的应用研究人员还表明，使用同一平台可以生成吸引物理学家长久以来兴趣的奇特量子态。其中一个例子是AKLT态，这是一个著名的许多体纠缠态，首次在1980年代引入，用于描述奇特的磁性材料。团队发现，他们相对简单的设置可以稳定这一状态。除了帮助科学家研究复杂的磁性系统外，