Новости

Квантовый навсегда: физики продемонстрировали длительную квантовую когерентность

Квантовый навсегда: физики продемонстрировали длительную квантовую когерентность

Физики реализовали первую экспериментальную демонстрацию длительной квантовой когерентности – феномена возникающего, когда квантовая система существует в  суперпозиции двух или более состояний. Обычно квантовая когерентность существует только доли секунды, до того как декогерентность разрушает эффект из-за взаимодействия между квантовой системой и окружающей средой.

Коллаборация физиков, во главе с Герардо Адессо из Университета Нотингема и другими учасниками из Великобритании, Бразилии, Италии и Германии, опубликовали статью с описанием демонстрации чрезвычайной стабильности квантовой когерентности в последнем выпуске Physical Review Letters: ( Observation of Time-Invariant Coherence in a Nuclear Magnetic Resonance Quantum Simulator. Isabela A. Silva, Alexandre M. Souza, Thomas R. Bromley, Marco Cianciaruso, Raimund Marx, Roberto S. Sarthour, Ivan S. Oliveira, Rosario Lo Franco, Steffen J. Glaser, Eduardo R. deAzevedo, Diogo O. Soares-Pinto, and Gerardo Adesso. Phys. Rev. Lett. 117, 160402  ) .

«Квантовые свойства можно использовать для прорывных технологий, но они обычно очень хрупки», рассказывает Адессо. «В статье мы описываем эксперимент который впервые показывает что возможно сохранить («заморозить») квантовую когерентность в большом ансамбле ядерных спинов, даже при наличии сильного дефазирующего шума при комнатной температуре, на масштабах времени порядка секунды и более, без внешнего управления состоянием»

Квантовая когерентность по сути квантовое явление возникающее благодаря волновой природе материи. Наиболее важным, для потенциальных применений, является то что квантовая когерентность позволяет квантовой системе занимать суперпозицию нескольких состояний. Эта характерная черта приводит к квантовому параллелизму, что является ключевым ингредиентом, позволяющим некоторым квантовым устройствам превзойти классические варианты в широкой области применений. Например, многие исследовательские группы сейчас работают над тем, чтобы приспособить квантовою когерентность, создать квантовые алгоритмы, квантовую криптографию, квантовую метрологию и другие квантовые технологии.

Однако, главное препятствие для развития таких технологий это необходимость преодолеть хрупкую, скоротечную природу квантовой когерентности. Хотя исследователи создали методы приостановить или корректировать эффект декогерентности, в целом они очень ресурсоёмкие.

Метод представленный в новом исследовании не пытается замедлить или корректировать декогерентность, а вместо этого использует естественный механизм, в результате которого спонтанно возникает устойчивость к декогерентности. Результаты показывают, что при определённых условиях квантовая когерентность остаётся полностью не подверженной обычным механизмам декогерентности обычно разрушающей когерентность. Существование нового механизма было предсказано другими авторами в публикации прошлого года ( arXiv:1411.2978 [quant-ph] ).

В новой работе, исследователи экспериментально впервые наблюдали такой эффект. Ученые продемонстрировали работу механизма в композитных системах, где подсистемы подвержены декогерентности, но при этом вся система сохраняет состояние квантовой когерентности произвольное время.

«Фокус в том что локальная декогерентность работает в выбранном направлении, перпендикулярном к тому вдоль которого происходит измерение когерентности,» поясняет Адессо. «Как результат получившиеся квантовые состояния в целом подвержены действию такого шума, но их наблюдаемая когерентность остаётся неизменной с течением времени при условии подбора подходящих начальных условий.»

Исследователи реализовали свой метод используя установку с жидкостными квантовыми симуляторами ядерного магнитного резонанса (ЯМР) при комнатной температуре и продемонстрировали эффект на двух и четырёх-кьюбит сборках.

«Мы использовали две разные установки ЯМР» рассказывает первый автор Изабелла Силва из Университета Сао Пауло и Университета Нотингема. «Первая, принадлежит группе Ивана Оливейра в Бразилии и состоит из простых образцов хлороформа помеченных углеродом-13 для кодирования двух-кьюбитной системыв водородных и углеродных ядрах. В отличии от первой, 4-х кьюбитная система представляла собой гетероядерный образец специально разработанный группой Стефана Глайзера в Германии. Для того чтобы независимо манипулировать такой четырёх канальной гетероядерной системой, был разработан прототип головки ЯМР зонда. Обе системы были подвержены естественным и независимым дефазирующим факторам. Следовательно как только были получены начальные квантовые состояния удовлетворяющим особым ограничениям, автоматически можно было наблюдать замораживание квантовой когерентности без необходимости во внешнем управляющем воздействии.»

Исследователи предсказывают, что этот удивительный эффект может возникать в больших системах состоящих из любого четного числа кьюбитов. Системы с нечетным числом кьюбитов не проявляют устойчивость из-за того что в таких системах нельзя встретить специфические начальные условия необходимые для поддержания феномена замораживания, что связано с другой геометрией квантовых состояний в подобных случаях.

Исследователи также показали, что механизм является универсальным, так как он не зависит от конкретного типа измерений для оценки величины когерентности. Ученые ожидают что эта черта сделает этот механизм особенно полезным для будущих применений.

Как предполагает Адессо: «Универсальность проложит путь к созданию нового поколения квантово-улучшеных устройств, способных удерживать когерентность и оставляя невредимой эффективность в реалистичных и неблагоприятных условиях».

Кроме технологических инноваций, результаты работы могут пролить свет на квантовую когерентность, возникающую естественным образом в биологических системах, таких как свето-поглощающие системы в растениях. Предыдущие исследования показали, что некоторые биологические системы могут длительное время поддерживать квантовую когерентность в определённых зашумленных средах.

«Новое исследование открывает возможность того, что эти системы могли обрести способность использовать естественные механизмы для защиты состояния когерентности, похоже на описанные в работе» указывает соавтор Розарио ЛоФранко из Университета Палермо в Италии.

Иллюстрация вверху: а) подготовка двух-кьюбитных состояний в молекуле хлороформа проявляющей квантовую когерентность в течении произвольно продолжительного времени. б) визуальное представление и с-f) томограммы динамики состояния.

По материалам сайта Phys.org

 

Добавить комментарий

Авторизуйтесь для добавления комментария.
Комментариев нет.

Оценка доступна только для участников. Пожалуйста, перейдите на страницу Вход или Регистрация для оценивания.
Отлично! ()0 %
Хорошо ()0 %
Средне ()0 %
Неважно ()0 %
Плохо ()0 %