Физики создали квантовую гиперзапутанность с помощью лазерных пинцетов

Ученые из Калифорнийского технологического института (Caltech) совершили прорыв в квантовой физике, используя лазерные пинцеты для управления отдельными атомами. Впервые им удалось достичь состояния гиперзапутанности, когда частицы связаны одновременно по нескольким свойствам. Этот эксперимент открывает новые горизонты для квантовых вычислений, моделирования и прецизионных измерений.

Обычная квантовая запутанность — это явление, при котором две или более частицы становятся взаимосвязанными, даже если их разделяют огромные расстояния. Изменение состояния одной частицы мгновенно влияет на другую. Гиперзапутанность идет дальше: частицы могут быть связаны одновременно по нескольким параметрам, например, по внутренней энергии (электронному состоянию) и движению.

«Мы показали, что атомное движение, которое обычно считается источником шума в квантовых системах, можно превратить в преимущество», — говорит Адам Шоу, ведущий автор исследования.

В эксперименте команда Caltech смогла связать:

• Состояния движения двух атомов
• Их электронные состояния (уровни внутренней энергии)

Оптические пинцеты — это инструмент, использующий сфокусированный лазерный луч для манипуляции микроскопическими объектами, такими как атомы. В Caltech их применяют уже несколько десятилетий, что привело к ряду открытий:

1. Создание самых точных атомных часов в мире
2. Разработка методов квантовой коррекции ошибок
3. Контроль над отдельными атомами в квантовых симуляциях

В новом исследовании, опубликованном в журнале Science, ученые не просто удерживали атомы, но и использовали их естественное движение для создания гиперзапутанности.

Для достижения гиперзапутанности команда разработала инновационный метод охлаждения:

• Атомы охлаждались до почти полной остановки
• Затем их заставляли колебаться в двух направлениях одновременно (эффект суперпозиции)
• После этого атомы связывались с партнерами, повторяющими их движение и электронные состояния

«Мы создаем инструментарий. Теперь мы умеем контролировать не только электроны внутри атома, но и его внешнее движение — это как игрушка, которую вы полностью освоили», — объясняет Мануэль Эндрес, соавтор исследования.

Гиперзапутанность позволяет кодировать больше информации в одном атоме, что критически важно для:

• Квантовых компьютеров — повышение эффективности и снижение ошибок
• Квантовых симуляций — моделирование сложных материалов и химических реакций
• Прецизионных измерений — создание еще более точных атомных часов и датчиков

По словам Эндреса, следующим шагом будет попытка запутать еще больше состояний, что откроет новые возможности для квантовых технологий.