Ein Schritt in Richtung stabiler Quantensysteme

Interaktionen zwischen Atomen und Licht regieren das Verhalten unserer physischen Welt, aber gleichzeitig können äußerst komplex sein. Das Verständnis und Nutzen ist eine der größten Herausforderungen für die Entwicklung von Quantentechnologien.

Um lichtvermittelte Wechselwirkungen zwischen Atomen zu verstehen, ist es üblich, nur zwei Atomspiegel zu isolieren, ein Bodenniveau und ein angeregtes Niveau, und die Atome als winzige Antennen mit zwei Polen zu betrachten, die miteinander sprechen. Wenn also ein Atom in einem Kristallgitter -Array im angeregten Zustand zubereitet wird, entspannt es sich nach einiger Zeit wieder in den Grundzustand, indem es ein Photon emittiert.

Das emittierte Photon entkommt nicht unbedingt dem Array, sondern kann von einem anderen Grundzustandsatom absorbiert werden, das dann aufgeregt wird. Ein solcher Austausch von Anregungen, der auch als Dipol-Dipol-Interaktion bezeichnet wird, ist der Schlüssel, um Atome zu interagieren, selbst wenn sie nicht gegenseitig stoßen können.

„Während die zugrunde liegende Idee sehr einfach ist, wie viele Photonen zwischen vielen Atomen ausgetauscht werden, kann der Zustand des Systems schnell korreliert oder schnell verwickelt werden“, erklärt Jila und NIST Fellow und University of Colorado Boulder Physiker -Professorin Ana Maria Rey.

„Ich kann mir ein einzelnes Atom nicht als ein unabhängiges Objekt vorstellen. Stattdessen muss ich verfolgen, wie sein Zustand vom Zustand vieler anderer Atome im Array abhängt. Dies ist mit aktuellen Berechnungsmethoden unerbittlich. In Abwesenheit eines externen Antrieb, die erzeugte Verstrickung verschwindet normalerweise, da sich alle Atome in den Grundzustand entspannen. „

Atome können jedoch mehr als zwei Atomspiegel aufweisen. Interaktionen im System können sich drastisch ändern, wenn mehr als zwei interne Ebenen an der Dynamik teilnehmen dürfen.

In einem zweistufigen System (schwache Anregung) mit nur einem Photon und höchstens ein angeregtes Atom im Array muss man nur das einzelne angeregte Atom verfolgen. Dies ist zwar numerisch verfolgbar, aber für Quantentechnologien nicht so hilfreich, da die Atome mehr als klassische Antennen betrachtet werden können.

Im Gegensatz dazu, dass nur ein zusätzlicher Boden pro Atom zulässt, selbst bei einer einzigen Anregung wächst die Anzahl der für das System zugänglichen Konfigurationen exponentiell und erhöht die Komplexität drastisch. Das Verständnis der Atomlichtinteraktion in mehrstufigen Einstellungen ist ein äußerst schwieriges Problem, und bis jetzt hat es sich sowohl Theoretiker als auch Experimentalisten entzogen.

Rey erklärt: „Es kann jedoch äußerst nützlich sein, nicht nur, weil es hochverletzte Zustände erzeugen kann, die in Abwesenheit eines Antriebs erhalten werden können, da Atome im Bodenniveau nicht verfallen.“

Jetzt in einer Studie veröffentlicht In Physische ÜberprüfungsbriefeRey und Jila und NIST-Kollegen James K. Thompson, zusammen mit dem Doktorand Sanaa Agarwal und Forscher Asier Piñeiro Orioli von der Universität Strasbourg, haben Atom-Light-Wechselwirkungen bei wirksamen vierstufigen Atomen, zwei Boden ) und zwei angeregte Werte, die in spezifischen eindimensionalen und zweidimensionalen Kristallgitter angeordnet sind.

„Wir wissen, dass die vollständige mehrstufige Struktur von Atomen uns eine reichhaltigere Physik und neue Phänomene verleihen kann, die für die verspottete staatliche Generation vielversprechend sind“, sagt Agarwal, der Erstautor der Zeitung. Bei Quantum -Technologien wie Computer und sicherer Kommunikation, die Verstrickungen erfordern, hat sich das Verständnis der Erstellung stabiler, miteinander verbundener Atomsysteme zu einer Priorität geworden.

Von zwei bis vier internen Zuständen

Für diese Studie konzentrierten sich die Forscher auf die Isolierung von vier Energieniveaus in Strontiumatomen, die entweder in eindimensionalen (1D) oder zweidimensionalen (2D) Konfigurationen angeordnet sind als die Wellenlänge des Laserlichts, mit dem sie erregt werden.

Die Studie konzentrierte sich auf einen Satz interner Werte mit einer viel geringeren Energieabteilung als typische optische Übergänge. Anstatt wirklich Grundzustandsniveaus zu verwenden, schlug das Team vor, metastabile Ebenen zu verwenden, auf denen Atome sehr lange leben können.

Diese sehr interessante Reihe von Levels wurde bisher noch nicht viel untersucht, da ein spezieller Laser mit einer sehr langen Wellenlänge erforderlich ist, aber Thompson plant, diesen Laser in seinem Labor zu haben.

„Wir planen, die notwendigen Fähigkeiten in unserem Labor aufzubauen, um das Atom zuerst in einen aufgeregten Zustand zu bringen, der sehr lange lebt“, sagt Thompson.

„Dadurch können wir einen 2,9-Micron-Wellenlängenübergang zwischen diesem sogenannten Metastabilen-State-Anregungstaat 3p2 in Strontium und einem weiteren 3D3-Zustand des angeregten Zustands verwenden Ein optisches Gitter in unserem Labor.

„Indem wir eine Übergangswellenlänge viel länger als die fallende Lichtwellenlänge haben, können wir über diesen Photonenaustausch starke und programmierbare Wechselwirkungen realisieren, die auftreten, wenn die Atome nahe beieinander eingeklemmt sind.“

Agarwal fügt hinzu: „Die Atome müssen sehr nahe sein, da die Wechselwirkungen mit der Entfernung schwächer werden und schließlich aufgrund anderer Dekohärenzquellen verloren gehen [noise]. Wenn Atome in der Nähe gehalten werden, können Wechselwirkungen dominieren und das Wachstum der Verstrickung erhalten. „

Das Team konzentrierte sich auf das schwache und weit vom Resonanzregime, in dem Atome praktisch „Handel“ -Potonen „handeln dürfen, dh sie zwischen Bodenzuständen bewegen, ohne einen angeregten Zustand dauerhaft zu besetzen.

„Durch den Austausch von Photonen bewegen sich Atome effektiv nur zwischen verschiedenen Konfigurationen in den Grundzustandsebenen, was unsere Berechnungen vereinfacht, indem die Anzahl der für das System zugänglichen Zustände reduziert wird“, fügt Agarwal hinzu. „Es ist einfacher, die angeregten Zustände zu beseitigen und sich auf die metastabile Zustandsdynamik zu konzentrieren, in der wir wachsende Korrelationen beobachten, die außerdem beim Ausschalten des Lasers erhalten bleiben können.

Erstellen eines Spinmodells zur Verstrickung

Im Regime, in dem die angeregten Ebenen nur „praktisch“ besiedelt sind und nur Atome die metastabilen Zustandsniveaus belegen können, kann das vierstufige Problem auf Kosten des Umgangs mit viel komplexeren Interaktionen auf ein zweistufiges System zurückgeführt werden. Dies beinhaltet nicht nur paarweise Wechselwirkungen, sondern auch die Multi-Atom-Interaktion.

Rey erklärt: „Wir haben uns auf das weitausresonische Regime konzentriert, in dem in führender Reihenfolge nur zwei Atome zu einem bestimmten Zeitpunkt interagieren. In diesem Fall beschreibt der Hamiltonianer die metastabile Zustandsdynamik auf ein gut charakterisiertes Spinmodell zurück. „

Das Team verwendete dieses bekannte Modell, um sogenannte „Spinwellen“-koordinierte energiearme Anregungen von Atomspins-die Gitteranordnung zu untersuchen. Durch die Kontrolle der Polarisations- und Ausbreitungsrichtung der Photonen des Lasers kontrollierten die Forscher konnten bestimmen, welches „Spin-Wellen-Muster“ dominant verwickelt wurde.

Die beobachtete Verschränkung war Spin-Squeezing, eine spezifische Form der Verstrickung, die die Empfindlichkeit gegenüber externen Rauschen erhöht und daher für die Metrologie nützlich ist.

„Der Spin-Drücken in unserem System kann experimentell gemessen werden und dienen als Zeuge der Quantenverstrickung. Unser Setup enthält auch mögliche Anwendungen bei der Simulation vielkörperiger Physik“, sagt Agarwal.

Dieser Befund ist besonders signifikant, da dies impliziert, dass Quantensysteme über lange Zeiträume die Verstrickung aufrechterhalten könnten, ohne dass eine konstante Intervention erforderlich ist, um Dekhärenz zu verhindern.

Einschränkungen in Simulationen

Während das Modell des Teams vielversprechende Erkenntnisse lieferte, konfrontierte es auch Einschränkungen bei der genauen Simulation des Systems im Laufe der Zeit. Eine der wichtigsten Einschränkungen ergab sich aus den Dipol-Dipol-Wechselwirkungen, die-im Gegensatz zu einfacheren Wechselwirkungen-langfristige Kräfte, die Atome sowohl in der Nähe als auch in der Ferne im Gitter kombinieren, entstehen.

Darüber hinaus sind diese Kupplungen anisotrop und hängen von der relativen Ausrichtung der Atomdipole ab, wodurch das System komplexer wird. Jedes Atom interagiert unterschiedlich mit seinen Nachbarn, die entlang verschiedener Richtungen im Gitter verteilt sind, was zu unterschiedlichen Wechselwirkungsstärken und -szeichen im gesamten Array führt.

Andere beliebte Simulationstechniken, die für Kurzstrecken-Interaktionen entwickelt wurden, fehlen, wenn sie auf Langstrecken-Interaktionen angewendet werden, da sie nicht für die vielen Korrelationen ausgestattet sind, die sich im Laufe der Zeit entwickeln.

Obwohl einige andere Methoden für langfristige Atomwechselwirkungen besser geeignet sind, sind sie aufgrund ihrer rechnerischen Komplexität auf kleine Atomzahlen beschränkt, was die Fähigkeit der Forscher einschränkt, das langjährige Fortschreiten von Korrelationen in einem großen System zu beobachten.

Tauchen weiter in interne Zustände

Die Ergebnisse des Teams könnten neue Wege in der Quanteninformationswissenschaft und Quantum Computing eröffnen und einen potenziellen Weg für die Entwicklung von hochverwickelten und skalierbaren Quantensystemen bieten.

„Wir nähern uns den Systemen, die zuverlässig die Verstrickung aufrechterhalten könnten, was ein entscheidender Schritt für zukünftige Quantenanwendungen ist“, sagt Agarwal.

Mit Blick auf die Zukunft plant das Forschungsteam, zu untersuchen, wie umfangreichere Multilevel -Systeme das Verspannungspotenzial verbessern können.

„In Atomen wie Strontium, mit jeweils 10 Boden- und angeregten Werten, wächst die Komplexität erheblich und wir möchten sehen, wie sich dies auf Verstrickung auswirkt“, sagt Agarwal.

„Während wir uns hier auf Interaktionen zwischen Atomen im freien Raum konzentriert haben, besteht eine aufgeregte Erweiterung darin, zu verstehen [that are] gebaut, wenn Atome stattdessen in einem optischen Hohlraum oder in nanophotonischen Geräten platziert werden „, fügt sie hinzu.

„Die Konkurrenz zwischen den durch die Hohlraumphotonen vermittelten Wechselwirkungen zwischen unendlichen Reichweite und den hier beschriebenen Dipol-Dipol-Wechselwirkungen kann fantastische Möglichkeiten eröffnen, um hellverhörte Quantengitter, Verspannungsverteilung und programmierbare Quantenquanten-Vielfalt-Physik zu nutzen“, sagt Thompson.