Подлинная многочастичная запутанность
Изображение: IQOQI Innsbruck/Harald Ritsch
Некоторые из новых квантовых технологий, начиная от чрезвычайно точных датчиков и заканчивая универсальными квантовыми компьютерами, требуют большого количества квантовых бит, чтобы использовать преимущества квантовой физики. Поэтому физики во всем мире работают над внедрением запутанных систем с большим количеством квантовых бит.
Такая работа в настоящее время проводится исследовательской группой Райнера Блатта в Институте экспериментальной физики при Университете Инсбрука. В 2011 году физики впервые объединили 14 индивидуальных адресуемых квантовых бит и, таким образом, реализовали самый большой полностью запутанный квантовый регистр.
Теперь исследовательская группа во главе с Беном Ланьоном и Райнером Блаттом в Институте квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI) Австрийской академии наук вместе с теоретиками из Университета Ульма, теперь реализовала управляемую многочастичную запутанность в системе из 20 квантовых бит.
Исследователи смогли обнаружить подлинную многочастичную запутанность между всеми соседними группами из трех, четырех и пяти квантовых бит.
Подлинная многочастичная запутанность
Физически запутанные частицы не могут быть описаны как отдельные частицы с определенными состояниями, а только как полная система. Особенно сложно понять запутывание, когда вовлечены многочисленные частицы. Здесь необходимо провести различие между запутанностью отдельных частиц и реальной, подлинной многочастичной запутанностью.
Подлинное многочастичное запутывание можно понимать только как свойство общей системы всех соответствующих частиц и не объясняться сочетанием перепутываемых подсистем.
В Институте квантовой оптики и квантовой информации в Инсбруке команда физиков использовала лазерный свет, чтобы запутать 20 атомов кальция в эксперименте с ионной ловушкой и наблюдала динамическое распространение многочастичных запутываний в этой системе. «Частицы сначала запутываются парами», — говорит Ланьон.
«Благодаря методам, разработанным нашими коллегами в Вене и Ульме, мы можем затем доказать дальнейшее распространение запутывания ко всем соседним триплетам частиц, большинству квартетов и нескольким квинтетам».
Большой шаг к применению
«Существуют квантовые системы, такие как ультрахолодные газы, в которых обнаружено запутанность между большим количеством частиц», — подчеркивает Николай Фриис. «Тем не менее, эксперимент в Инсбруке способен рассматривать и считывать каждый квантовый бит отдельно».
Поэтому он подходит для практических применений, таких как квантовое моделирование или обработка квантовой информации. Райнер Блатт и его команда надеются еще больше увеличить количество квантовых бит в эксперименте.
«Наша среднесрочная цель — 50 частиц», — говорит он. «Это может помочь нам решить проблемы, которые сегодня не достигают лучшие суперкомпьютеры».
Методы, разработанные для эксперимента с ионной ловушкой в Инсбруке, будут использоваться более широко, утверждают физики в Ульме и Вене. «Мы хотим еще больше расширить границы наших методов», — говорят Фрис и Марти.
«Используя симметрии и фокусируя внимание на некоторых наблюдаемых, мы можем еще больше оптимизировать эти методы, чтобы обнаружить еще более обширное многочастичное запутывание.
Больше информации: Nicolai Friis, Oliver Marty, Christine Maier, Cornelius Hempel, Milan Holzäpfel, Petar Jurcevic, Martin B. Plenio, Marcus Huber, Christian Roos, Rainer Blatt, Ben Lanyon. Observation of Entangled States of a Fully Controlled 20-Qubit System. Physical Review X, 2018; 8 (2) DOI: 10.1103/PhysRevX.8.021012