Исследовательская группа Кристиана Рооса из Института квантовой оптики и квантовой информации Австрийской академии наук в Инсбруке создала новую экспериментальную платформу для исследования квантовых явлений: в цепочке захваченных ультрахолодных ионов они могут точно инициализировать, контролировать и измерять состояния. и свойства квазичастичных возбуждений в квантовой системе многих тел. «Квазичастицы — это устоявшееся понятие в физике для упрощенного описания коллективного поведения частиц», — говорит Кристиан Роос.Распространение запутанности
Для эксперимента физики использовали одномерную ионную струну, состоящую из семи-пятнадцати ионов кальция, захваченных в вакуумной камере. Затем лазерные лучи манипулируют квантовым состоянием ионов. «Каждая частица ведет себя как маленький квантовый магнит, взаимодействующий друг с другом», — объясняет Петар Юрчевич, первый автор этого исследования. «Точное возбуждение одной из частиц влияет и на другие частицы. Возникающее в результате коллективное поведение системы называется квазичастицами ». Эти квазичастицы рассеиваются по обе стороны от места возбуждения на ионной струне, тем самым перенося квантовые корреляции. Распределение возбуждения ранее наблюдалось в экспериментах с нейтральными атомами, где также были показаны корреляции между частицами. «В наших экспериментах мы смогли определить, что эти корреляции являются квантовыми, — говорит Роос. «Измеряя многочастичные корреляции, мы смогли обнаружить и количественно оценить квантовую запутанность».
Таким образом, физики были первыми, кто продемонстрировал распространение запутанности в квантовой системе.В отличие от предыдущих экспериментов, исследователи из Инсбрука могут настраивать диапазон ион-ионного взаимодействия в системе от эффективного ближайшего соседа до бесконечного диапазона. В каждом случае создается новый набор квазичастиц с уникальными динамическими свойствами.Новое исследование с квазичастицами«С помощью этой новой схемы мы можем точно управлять квазичастицами», — говорит взволнованный Филипп Хауке, один из авторов этого исследования. «Нам потребовались десятилетия, чтобы придумать способы точного управления квантовыми частицами и управления ими.
С помощью этой платформы мы теперь можем делать то же самое с квазичастицами и исследовать явления, которые мы не смогли изучить экспериментально ». Например, он открывает новые пути для изучения того, как квантовые системы достигают равновесия, включая вопрос о том, когда происходит термализация, процесс, который до сих пор оставался неуловимым. «Еще одна большая цель — использовать квазичастицы для обработки квантовой информации», — говорит Хауке. Кроме того, эта платформа также может быть использована для изучения роли транспортных процессов в биологических системах. В настоящий момент исследовательская группа Кристиана Рооса работает над идеей исследования процессов взаимодействия между двумя квазичастицами.Исследование, опубликованное в настоящее время в журнале Nature, было совместно проведено теоретической исследовательской группой Питера Цоллера и экспериментальной исследовательской группой Райнера Блатта из Института квантовой оптики и квантовой информации при Австрийской академии наук и Университета Инсбрука.
Исследователи финансируются Австрийским научным фондом, Европейской комиссией, Европейским исследовательским советом и Федерацией австрийской промышленности Тироля.