通过光子介导的纠缠生成原子系综的图态

透过超高真空室窗口的光学谐振器视图。图片来源：Philipp Kunkel。

图态是一类可以用图表示的纠缠量子态，由于其有趣的特性，一直是最近许多物理学研究的主题。这些独特的特性可能使它们在量子计算应用以及更广泛的量子技术中特别有前途。

在规范图状态中，图的每个顶点表示一个单独的量子比特（量子比特），而这些量子比特之间的纠缠表示为图的边缘。这个概念也被推广到量子信息不是存储在单个量子比特中，而是存储在连续变量中的状态，例如光的振幅和相位。

虽然图状态已经显示出增强某些量子信息处理和基于量子的测量工具的潜力，但为任意图生成它们具有挑战性，因为它需要对产生纠缠的相互作用进行高度控制。

斯坦福大学和SLAC国家加速器实验室的研究人员演示了原子自旋系综的连续变量图态的生成，从而形成了图的顶点。他们的论文发表在《自然物理学》上，为利用这些状态实现新的量子计算和计量系统开辟了新的机会。

“我们最近的工作符合设计纠缠量子态的广泛努力，其中信息在两个或多个粒子之间的相关性中被非局部编码，”该论文的资深作者Monika Schleier-Smith告诉 Phys.org。“这些量子相关性是设想的量子技术的重要资源，从量子计算机到超精密传感器。

光子介导的光子介导的原子云之间相互作用的动画 在光学谐振器中。图片来源：Avikar Periwal。

为了在现实世界中成功部署，量子计算机和超精密量子增强测量工具都应该具有可扩展性和易于编程性。换句话说，它们应该能够维持两个原子之间的纠缠，并且应该允许研究人员控制系统中的相关性。

施莱尔-史密斯、她的研究生埃里克·库珀（Eric Cooper）和他们的同事最近研究的主要目标是开发一种可扩展和可编程的原子纠缠方法。他们开发的方法需要使用激光技术来控制两个或多个子系统中原子之间的纠缠。

“我的实验室使用的主要实验技术是用激光操纵原子，”施莱尔-史密斯说。“首先，我们使用激光将原子冷却到接近绝对零度的温度，并形成光镊，将这些原子困在激光束的焦点处。

研究人员使用四把光镊将四个原子云定位在一对镜子之间，形成所谓的光学谐振器。这本质上是一个存储光子的“盒子”，允许它们在两个镜子之间反复来回反弹。

“我认为谐振器内部的光就像一个信使，在原子之间来回运行并在它们之间传递信息 - 但重要的是，它是秘密的，不与外界共享信息，”施莱尔-史密斯解释说。“原子云之间谨慎的信息共享使它们变得纠缠不清。

使用他们的实验方法，研究人员能够有效地设计出一个四模方图状态。因此，他们展示的方法有望成为一种可扩展且高效的解决方案，用于编程量子节点之间的纠缠和生成图状态。

“天真地，人们可能期望需要独立控制网络中每对节点之间的相互作用，以完全控制量子相关性的结构，”Schleier-Smith说。

“这就像让社交网络中的任何两个人能够直接向对方发送消息一样。然而，我们了解到，仅使用全局交互（例如向社交网络中的每个人广播消息）以及单个节点的局部控制的一个附加成分，就可以准备一类非常广泛的纠缠状态。

Schleier-Smith和她的研究小组最近的研究可能为图态在量子计算和量子计量学中的广泛使用铺平道路。未来，他们的方法可用于为特定应用准备纠缠态，从量子纠错到量子增强传感。

“在短期内，我们正在探索量子增强传感和成像的应用，例如，我们如何设计优化的量子态，以识别磁场或光学场中的特定空间模式？”施莱尔-史密斯补充道。

“从长远来看，我们希望将我们的纠缠图态工程方法扩展到单独捕获的原子阵列，作为量子计算的量子比特。这需要在谐振器的设计上取得进步，以增强原子-光相互作用的强度。

更多信息：Eric S. Cooper 等人，由光子介导的纠缠设计的原子系综的图态，Nature Physics （2024）。DOI： 10.1038/s41567-024-02407-1

期刊信息： Nature Physics