研究により量子物質のもつれ制御の準備が整う

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量子材料のもつれを特徴づけ、制御することは、次世代の量子技術の開発にとって重要です。

もつれは量子光学で測定できますが、巨視的な固体におけるもつれの定量化可能な性能指数を定義することは理論的にも実験的にも困難です。

米国エネルギー省の早期キャリア賞の資金提供を受けた研究を通じて、クレムソン大学の科学者とその共同研究者らは、平衡状態から外れた量子材料の量子もつれと、強力なレーザーパルスによって人為的に誘発された量子もつれを検出する新しいアプローチを発見した。

この発見により、研究者は超高速のタイムスケールで量子デバイスを制御できるようになり、量子アプリケーション向けの材料ベースの物質状態の設計への道が開かれる可能性がある。

この研究は最近、権威ある雑誌 Nature Communications に発表され、量子制御コミュニティと X 線という 2 つの関心分野に携わる研究者の注目を集めました。 この記事のタイトルは「時間分解共鳴非弾性 X 線散乱を使用した光駆動エンタングルメントの目撃」です。

エンタングルメントとは、アルバート・アインシュタインが「離れた場所での不気味な動き」と表現した現象で、2 つの素粒子がたとえ遠く離れていたとしても、どのようにして互いに密接に結びつくのかを説明しています。 それらが分離しているにもかかわらず、一方の亜原子粒子に誘発された変化は他方の亜原子粒子に影響を与えます。

「もつれは量子システムの本質的な性質であり、あらゆる量子応用の基礎です」とクレムソン物理天文学部大学院2年生で論文の筆頭著者であるジョーディン・ヘイルズ氏は述べた。 「それが役立つためには、それを検出して制御できる必要があります。」

ここ数年、科学者たちは、中性子散乱によって物質内のもつれを測定するための量子フィッシャー情報 (QFI) と呼ばれる量を決定しました。 ただし、この方法は平衡状態に限定されているため、超高速タイムスケールで動作する制御可能な量子デバイスへの応用が制限されています。

この新しい研究では、クレムソン物理学のヤオ・ワン助教授が率いる科学者らは、最近開発された時間分解共鳴非弾性X線散乱の技術を通じて、あらゆる超高速状態のQFIを解読するアプローチを発見した。 すべての超高速スペクトルには時間分解能が限られているため、直接変換は不可能ですが、研究者らはこの問題を克服する反復アルゴリズムを設計しました。 このアプローチは、平衡から外れた量子材料における量子もつれの下限を与えます。

「私たちはもつれを検出できるようにしたいだけでなく、もつれを制御し、制御中にそれを追跡できるようにしたいと考えています。 それを制御する効率的な方法の 1 つは、システムを平衡状態から外す強力なレーザーを使用することです」とヘイルズ氏は言いました。 「レーザー制御された材料とは、1 つの材料を合成してレーザーを照射できることを意味します。 レーザーのパワー、周波数、持続時間、偏光は異なるため、さまざまな方法で制御できます。 つまり、単一のマテリアルについて、大きなパラメータ空間で多くの異なる状態にアクセスできるのです。」

ワン氏は、もつれを特徴づけることができるため、研究者は、あまり予測せずにレーザーをランダムに制御するのではなく、意図的にレーザー制御を設計できると述べた。

「それが、時間解決共鳴非弾性 X 線散乱を使用して平衡状態外のもつれを検出するこの方法を拡張した理由です。 今では、レーザーパルスによってもつれが誘発されるかどうか、またどのように誘発されるかをリアルタイムで確認できるようになりました」とワン氏は語った。

ヘイルズ氏は、次のステップは実験協力者と協力して結果を検証することだと述べた。

「私たちはスーパーコンピューターで多くのシミュレーションを行い、レーザーが実際に一時的なもつれを誘発できる材料システムを特定しました」とヘイルズ氏は語った。 「私たちは、物理的な測定を行い、私たちの方法を使用してもつれを抽出する実験協力者を待っています。」論文の共同筆頭著者である元クレムソン博士研究員のウトカルシュ・バジパイ氏は、この方法の導出に大きく貢献しました。 ハーバード大学とマサチューセッツ州の研究者