Gerando estados gráficos de conjuntos atômicos via emaranhamento mediado por fótons
Vista do ressonador óptico através da janela da câmara de ultra-alto vácuo. Crédito:Philipp Kunkel. Os estados de grafos, uma classe de estados quânticos emaranhados que podem ser representados por gráficos, têm sido tema de numerosos estudos recentes de física, devido às suas propriedades intrigantes. Estas propriedades únicas podem torná-los particularmente promissores para aplicações de computação quântica, bem como para uma gama mais ampla de tecnologias quânticas.
Em um estado de gráfico canônico, cada vértice de um gráfico representa um qubit individual (bit quântico), enquanto o emaranhado entre esses qubits é representado como as arestas do gráfico. O conceito também foi generalizado para estados onde a informação quântica é armazenada não em qubits individuais, mas em variáveis contínuas, como a amplitude e a fase da luz.
Embora os estados dos gráficos tenham mostrado potencial para aprimorar alguns processamentos de informações quânticas e ferramentas de medição baseadas em quânticas, gerá-los para gráficos arbitrários é um desafio, pois requer um alto nível de controle sobre as interações que geram o emaranhamento.
Pesquisadores da Universidade de Stanford e do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC demonstram a geração de estados gráficos de variável contínua de conjuntos de spin atômicos, formando os vértices de um gráfico. O artigo deles, publicado na Nature Physics , abre novas oportunidades para o uso desses estados para realizar novos sistemas de computação quântica e metrologia.
“Nosso trabalho recente se enquadra em um amplo esforço para projetar estados quânticos emaranhados, nos quais a informação é codificada de forma não local nas correlações entre duas ou mais partículas”, disse Monika Schleier-Smith, autora sênior do artigo, ao Phys.org. “Essas correlações quânticas são o recurso essencial para as tecnologias quânticas imaginadas, que vão desde computadores quânticos até sensores ultraprecisos.” Animação de interações mediadas por fótons entre nuvens de átomos no ressonador óptico. Crédito:Avikar Periwal. Para serem implantados com sucesso em ambientes do mundo real, tanto os computadores quânticos quanto as ferramentas de medição quânticas ultraprecisas devem ser escaláveis e facilmente programáveis. Em outras palavras, eles deveriam ser capazes de sustentar o emaranhamento não apenas entre dois, mas muitos átomos e deveriam permitir que os pesquisadores controlassem as correlações no sistema.
O objetivo principal do estudo recente de Schleier-Smith, seu aluno de pós-graduação Eric Cooper e seus colegas era desenvolver um método para emaranhar átomos que fosse ao mesmo tempo escalável e programável. O método desenvolvido envolve o uso de tecnologia laser para controlar o emaranhado entre átomos em dois ou mais subsistemas.
“A principal técnica experimental usada em meu laboratório é a manipulação de átomos com luz laser”, disse Schleier-Smith. "Em primeiro lugar, usamos luz laser para resfriar átomos a temperaturas próximas do zero absoluto e para formar pinças ópticas nas quais esses átomos ficam presos no foco de um feixe de laser."
Os pesquisadores usaram quatro pinças ópticas para posicionar quatro nuvens de átomos entre um par de espelhos, formando o que é conhecido como ressonador óptico. Esta é essencialmente uma “caixa” que armazena fótons, permitindo-lhes saltar repetidamente entre os dois espelhos.
"Penso na luz dentro do ressonador agindo como um mensageiro que vai e volta entre os átomos e passa informações entre eles - mas, o mais importante, faz isso secretamente, sem compartilhar as informações com o mundo exterior", Schleier-Smith explicou. "Esse compartilhamento discreto de informações entre as nuvens de átomos permite que elas fiquem emaranhadas."
Usando seu método experimental, os pesquisadores conseguiram projetar com eficácia um estado gráfico quadrado de quatro modos. A abordagem demonstrada promete, portanto, ser uma solução escalável e eficiente para programar o emaranhado entre nós quânticos e gerar estados gráficos.
“Ingenuamente, seria de se esperar que fosse necessário um controle independente das interações entre cada par de nós da rede para ter controle total da estrutura das correlações quânticas”, disse Schleier-Smith.
"Isso seria como ter duas pessoas em uma rede social capazes de trocar mensagens diretas. No entanto, aprendemos que uma classe muito ampla de estados emaranhados pode ser preparada usando apenas interações globais - como transmitir uma mensagem para todos no mundo. rede social - mais um ingrediente adicional de controle local dos nós individuais."
O recente estudo de Schleier-Smith e seu grupo de pesquisa pode abrir caminho para o uso generalizado de estados gráficos para computação quântica e metrologia quântica. No futuro, seu método poderá ser usado para preparar estados emaranhados para aplicações específicas, desde correção quântica de erros até detecção quântica aprimorada.
"No curto prazo, estamos explorando aplicações para detecção e imagem quântica aprimoradas - por exemplo, como projetamos estados quânticos que são otimizados para reconhecer padrões espaciais específicos em campos magnéticos ou ópticos?" Schleier-Smith acrescentou.
"No longo prazo, esperamos estender nosso método de engenharia de estados gráficos emaranhados para matrizes de átomos presos individualmente servindo como qubits para computação quântica. Isso requer avanços no design do ressonador para aumentar a força das interações átomo-luz. "
