Одним из раздражающих факторов в этом направлении работы было обычное колебательное движение атомов, которое затрудняет управление системами. Теперь, сообщая в журнале Science, команда перевернула проблему с ног на голову и использовала это движение атомов для кодирования квантовой информации - процесса, лежащего в основе квантовых технологий.

"Мы показываем, что движение атомов, которое обычно рассматривается как источник нежелательного шума в квантовых системах, может быть превращено в силу", - говорит Адам Шоу (PhD '24), соавтор исследования вместе с Паскалем Шоллем и Раном Финкельштейном. Шоу ранее был аспирантом Калифорнийского технологического института во время этих экспериментов, а сейчас является аспирантом Стэнфордского университета. Шолл работал постдоком в Калифорнийском технологическом институте, а сейчас работает в компании по квантовым вычислениям Pasqal. Финкельштейн получил стипендию Троша в Калифорнийском технологическом институте и в настоящее время является профессором Тель-Авивского университета.

В конечном счете, эксперимент не только закодировал квантовую информацию в движении атомов, но и привел к состоянию, известному как гиперпереплетение. При элементарной запутанности две частицы остаются связанными, даже если их разделяют огромные расстояния. Когда исследователи измеряют состояния частиц, они наблюдают эту корреляцию: например, если одна частица находится в состоянии, известном как вращение вверх (в котором ориентация углового момента направлена вверх), другая всегда будет вращаться вниз.

При гиперпереплетении две характеристики пары частиц коррелируют. В качестве простой аналогии, это было бы похоже на группу близнецов, разлученных при рождении, имеющих одинаковые имена и одинаковые типы автомобилей: эти два признака коррелируют между близнецами. В новом исследовании Эндрес и его команда смогли сверхперепутать пары атомов таким образом, что их индивидуальные состояния движения и их индивидуальные электронные состояния - их внутренние энергетические уровни - были коррелированы между атомами. Более того, эта экспериментальная демонстрация подразумевает, что одновременно может быть перепутано еще больше признаков.

"Это позволяет нам кодировать больше квантовой информации на атом", - объясняет Эндрес. "Вы получаете больше запутанности при меньшем количестве ресурсов".

Эксперимент является первой демонстрацией гиперспутанности в массивных частицах, таких как нейтральные атомы или ионы (в предыдущих демонстрациях использовались фотоны).

Для этих экспериментов команда охладила массив отдельных щелочноземельных нейтральных атомов, заключенных внутри оптического пинцета. Они продемонстрировали новую форму охлаждения посредством "обнаружения и последующей активной коррекции тепловых двигательных возбуждений", говорит Эндрес, который он сравнивает со знаменитым мысленным экспериментом Джеймса Клерка Максвелла 1867 года, в котором был вызван демон, который измеряет и сортирует частицы в камере. "По сути, мы измеряем движение каждого атома и применяем операцию в зависимости от результата, атом за атомом, подобно демону Максвелла".

Этот метод, который превзошел по эффективности самые известные методы лазерного охлаждения, привел к почти полной остановке атомов.

Оттуда исследователи заставили атомы колебаться подобно качающемуся маятнику, но с амплитудой приблизительно 100 нанометров, что намного меньше ширины человеческого волоса. Они смогли возбудить атомы в двух различных колебаниях одновременно, заставляя движение находиться в состоянии суперпозиции. Суперпозиция - это квантовое состояние, в котором частица одновременно проявляет противоположные свойства, например, спин частицы одновременно увеличивается и уменьшается одновременно.

"Вы можете представить себе атом, движущийся в этом состоянии суперпозиции, как ребенок на качелях, которого начинают толкать два родителя с противоположных сторон, но одновременно", - говорит Эндрес. "В нашем повседневном мире это, безусловно, привело бы к родительскому конфликту; в квантовом мире мы можем замечательно использовать это!"

Затем они запутывали отдельные атомы, перемещая их к атомам-партнерам, создавая коррелированное состояние движения на расстоянии нескольких микрометров. После того, как атомы были перепутаны, команда затем гиперперепутала их таким образом, что и движение, и электронные состояния атомов были коррелированы.

"По сути, цель здесь состояла в том, чтобы раздвинуть границы того, насколько мы можем контролировать эти атомы", - говорит Эндрес. "По сути, мы создаем набор инструментов: мы знали, как управлять электронами внутри атома, и теперь мы научились управлять внешним движением атома в целом. Это как атомная игрушка, которой вы полностью овладели".

Полученные результаты могут привести к новым способам выполнения квантовых вычислений, а также к квантовому моделированию, предназначенному для изучения фундаментальных вопросов физики. "Двигательные состояния могли бы стать мощным ресурсом для квантовых технологий, от вычислений до моделирования и прецизионных измерений", - говорит Эндрес.