17 ноября 2010
(перевод Андрей Алексашкин)
Физики Калифорнийского технологического института демонстрируют четырехкратную квантовую память
PASADENA, CA - Исследователи из Калифорнийского технологического института (Caltech) продемонстрировали квантовую запутанность для квантового состояния, хранящегося в четырех пространственно различных атомных воспоминаниях.
Их работа, описанная в выпуске журнала «Природа» от 18 ноября, также продемонстрировала квантовый интерфейс между атомными воспоминаниями, представляющими что-то похожее на «жесткий диск» компьютера для запутывания, и четырьмя лучами света, что позволяет в четыре раза запутанность будет распространяться фотонами по квантовым сетям.
Исследование представляет собой важное достижение в квантовой информатике, расширяя когерентный контроль запутывания с двух до нескольких (четырех) пространственно разделенных физических систем материи и света.
Эксперимент с доказательством принципа, проведенный профессором Уильямом Валентином и профессором физики Х. Джеффом Кимблом, помогает проложить путь к квантовым сетям. Подобно Интернету в нашей повседневной жизни, квантовая сеть представляет собой квантовую «сеть», состоящую из множества взаимосвязанных квантовых узлов, каждый из которых способен выполнять элементарные квантовые логические операции (аналогично «И» и «ИЛИ» в компьютерах). использование «квантовых транзисторов» и сохранение результирующих квантовых состояний в квантовой памяти. Квантовые узлы «связаны» друг с другом квантовыми каналами, которые переносят, например, пучки фотонов для доставки квантовой информации от узла к узлу. Такая взаимосвязанная квантовая система могла бы функционировать как квантовый компьютер или, как предложил покойный физик Калтеха Ричард Фейнман в 1980-х годах,
Квантовая запутанность является наиболее существенной особенностью квантовой сферы и включает в себя корреляции между компонентами всей физической системы, которые не могут быть описаны классической физикой. Как ни странно, для запутанной квантовой системы не существует объективной физической реальности для свойств системы. Вместо этого запутанная система содержит одновременно множество возможностей для своих свойств. Такая запутанная система была создана и сохранена исследователями Caltech.
Ранее группа Кимбла запутала пару атомных квантовых воспоминаний и когерентно перенесла запутанные фотоны в квантовые воспоминания и из них (http://media.caltech.edu/press_releases/13115). При таком двухкомпонентном или двудольном запутывании подсистемы либо запутаны, либо нет. Но для многокомпонентной запутанности с более чем двумя подсистемами - или многочастной запутанности - есть много возможных способов запутать подсистемы. Например, с четырьмя подсистемами все возможные комбинации пар могут быть перепутаны, но не перепутаны по всем четырем компонентам; в качестве альтернативы они могли бы разделить «глобальное» четырехстороннее (четырехчастное) запутывание.
Следовательно, многоплановое запутывание сопровождается повышенной сложностью в системе. Хотя это существенно усложняет создание и характеристику этих квантовых состояний, оно также делает запутанные состояния более ценными для задач квантовой информатики.
Их работа, описанная в выпуске журнала «Природа» от 18 ноября, также продемонстрировала квантовый интерфейс между атомными воспоминаниями, представляющими что-то похожее на «жесткий диск» компьютера для запутывания, и четырьмя лучами света, что позволяет в четыре раза запутанность будет распространяться фотонами по квантовым сетям. Исследование представляет собой важное достижение в квантовой информатике, расширяя когерентный контроль запутывания с двух до нескольких (четырех) пространственно разделенных физических систем материи и света.
Эксперимент с доказательством принципа, проведенный профессором Уильямом Валентином и профессором физики Х. Джеффом Кимблом, помогает проложить путь к квантовым сетям. Подобно Интернету в нашей повседневной жизни, квантовая сеть представляет собой квантовую «сеть», состоящую из множества взаимосвязанных квантовых узлов, каждый из которых способен выполнять элементарные квантовые логические операции (аналогично «И» и «ИЛИ» в компьютерах). использование «квантовых транзисторов» и сохранение результирующих квантовых состояний в квантовой памяти. Квантовые узлы «связаны» друг с другом квантовыми каналами, которые переносят, например, пучки фотонов для доставки квантовой информации от узла к узлу. Такая взаимосвязанная квантовая система могла бы функционировать как квантовый компьютер или, как предложил покойный физик Калтеха Ричард Фейнман в 1980-х годах,
Квантовая запутанность является наиболее существенной особенностью квантовой сферы и включает в себя корреляции между компонентами всей физической системы, которые не могут быть описаны классической физикой. Как ни странно, для запутанной квантовой системы не существует объективной физической реальности для свойств системы. Вместо этого запутанная система содержит одновременно множество возможностей для своих свойств. Такая запутанная система была создана и сохранена исследователями Caltech.
Ранее группа Кимбла запутала пару атомных квантовых воспоминаний и когерентно перенесла запутанные фотоны в квантовые воспоминания и из них (http://media.caltech.edu/press_releases/13115). При таком двухкомпонентном или двудольном запутывании подсистемы либо запутаны, либо нет. Но для многокомпонентной запутанности с более чем двумя подсистемами - или многочастной запутанности - есть много возможных способов запутать подсистемы. Например, с четырьмя подсистемами все возможные комбинации пар могут быть перепутаны, но не перепутаны по всем четырем компонентам; в качестве альтернативы они могли бы разделить «глобальное» четырехстороннее (четырехчастное) запутывание.
Следовательно, многоплановое запутывание сопровождается повышенной сложностью в системе. Хотя это существенно усложняет создание и характеристику этих квантовых состояний, оно также делает запутанные состояния более ценными для задач квантовой информатики.
Для достижения многоплановой запутанности команда Caltech использовала лазеры для охлаждения четырех коллекций (или ансамблей) около миллиона атомов цезия, разделенных на 1 миллиметр и захваченных в магнитном поле, с точностью до нескольких сотен миллионных долей градуса выше абсолютного нуля. Каждый ансамбль может иметь атомы с внутренними спинами, которые «вверх» или «вниз» (аналогично вращающимся вершинам) и которые в совокупности описываются «спиновой волной» для соответствующего ансамбля. Именно этим спиновым волнам исследователям Калифорнийского технологического института удалось запутаться среди четырех атомных ансамблей.
Техника, используемая командой Caltech для создания четырехстороннего запутывания, является продолжением теоретической работы Люминга Дуана, Михаила Лукина, Игнасио Чирака и Питера Золлера в 2001 году для создания двудольного спутывания посредством акта квантового измерения. Этот вид «индуцированного измерениями» запутывания для двух атомных ансамблей был впервые достигнут группой Caltech в 2005 году (http://media.caltech.edu/press_releases/12776).
В текущем эксперименте запутанность «хранится» в четырех атомных ансамблях в течение различного времени, а затем «считывается» - по существу, переносится - в четыре луча света. Для этого исследователи расстреляли четыре «читаемых» лазера в четырех, теперь запутанных, ансамблях. Когерентное расположение амплитуд возбуждения атомов в ансамблях, описываемое спиновыми волнами, усиливает взаимодействие вещества с светом через явление, известное как сверхизлучающее излучение.
«Излучаемый свет от каждого атома в ансамбле конструктивно мешает свету от других атомов в прямом направлении, что позволяет нам передавать возбуждения спиновых волн ансамблей отдельным фотонам», - говорит Акихиса Гобан, аспирант и соавтор Калифорнийского технологического института бумага. Таким образом, исследователи смогли когерентно перенести квантовую информацию из отдельных наборов многораздельных запутанных атомов в четыре запутанных пучка света, образуя мост между веществом и светом, необходимый для квантовых сетей.
Коллектив Caltech исследовал динамику, с которой многораздельная запутанность распадалась, сохраняясь в атомных воспоминаниях. «В зоологии запутанных состояний наш эксперимент иллюстрирует, как многораздельные запутанные спиновые волны могут эволюционировать в различные подмножества запутанных систем с течением времени, и проливает свет на сложность и хрупкость квантового запутывания в открытых квантовых системах», - говорит аспирант Caltech Kyung. Су Чой, ведущий автор газеты «Природа». Исследователи предполагают, что разработанные теоретические инструменты для изучения динамики затухания запутанности могут быть применены для изучения запутанных спиновых волн в квантовых магнитах.
Дальнейшие возможности их эксперимента включают расширение многоплановой запутанности через квантовые сети и квантовую метрологию. «Наша работа представляет новые наборы экспериментальных возможностей для генерации, хранения и передачи многочастичного запутывания от материи к свету в квантовых сетях», - объясняет Чой. «Это означает все возрастающую степень изысканного квантового контроля для изучения и манипулирования запутанными состояниями материи и света».
Помимо Кимбла, Чоя и Гобана, другими авторами статьи «Запутывание спиновых волн среди четырех квантовых воспоминаний» являются Скотт Папп, бывший доктор наук в Центре физики информации Калифорнийского технологического института в настоящее время в Национальном институте. стандартов и технологий в Боулдере, штат Колорадо, и Стивен ван Энк, теоретический сотрудник и профессор физики в Университете штата Орегон, а также сотрудник Института квантовой информации в Калифорнийском технологическом институте.
Это исследование было профинансировано Национальным научным фондом, программой стипендий для науки и техники Национальной безопасности Министерства обороны США (DOD), корпорацией Northrop Grumman и деятельностью по разведывательным исследованиям.
Автор Джон Вайнер jrweiner@caltech.edu
(перевод Андрей Алексашкин)
Физики Калифорнийского технологического института демонстрируют четырехкратную квантовую память
PASADENA, CA - Исследователи из Калифорнийского технологического института (Caltech) продемонстрировали квантовую запутанность для квантового состояния, хранящегося в четырех пространственно различных атомных воспоминаниях.
Их работа, описанная в выпуске журнала «Природа» от 18 ноября, также продемонстрировала квантовый интерфейс между атомными воспоминаниями, представляющими что-то похожее на «жесткий диск» компьютера для запутывания, и четырьмя лучами света, что позволяет в четыре раза запутанность будет распространяться фотонами по квантовым сетям.
Исследование представляет собой важное достижение в квантовой информатике, расширяя когерентный контроль запутывания с двух до нескольких (четырех) пространственно разделенных физических систем материи и света.
Эксперимент с доказательством принципа, проведенный профессором Уильямом Валентином и профессором физики Х. Джеффом Кимблом, помогает проложить путь к квантовым сетям. Подобно Интернету в нашей повседневной жизни, квантовая сеть представляет собой квантовую «сеть», состоящую из множества взаимосвязанных квантовых узлов, каждый из которых способен выполнять элементарные квантовые логические операции (аналогично «И» и «ИЛИ» в компьютерах). использование «квантовых транзисторов» и сохранение результирующих квантовых состояний в квантовой памяти. Квантовые узлы «связаны» друг с другом квантовыми каналами, которые переносят, например, пучки фотонов для доставки квантовой информации от узла к узлу. Такая взаимосвязанная квантовая система могла бы функционировать как квантовый компьютер или, как предложил покойный физик Калтеха Ричард Фейнман в 1980-х годах,
Квантовая запутанность является наиболее существенной особенностью квантовой сферы и включает в себя корреляции между компонентами всей физической системы, которые не могут быть описаны классической физикой. Как ни странно, для запутанной квантовой системы не существует объективной физической реальности для свойств системы. Вместо этого запутанная система содержит одновременно множество возможностей для своих свойств. Такая запутанная система была создана и сохранена исследователями Caltech.
Ранее группа Кимбла запутала пару атомных квантовых воспоминаний и когерентно перенесла запутанные фотоны в квантовые воспоминания и из них (http://media.caltech.edu/press_releases/13115). При таком двухкомпонентном или двудольном запутывании подсистемы либо запутаны, либо нет. Но для многокомпонентной запутанности с более чем двумя подсистемами - или многочастной запутанности - есть много возможных способов запутать подсистемы. Например, с четырьмя подсистемами все возможные комбинации пар могут быть перепутаны, но не перепутаны по всем четырем компонентам; в качестве альтернативы они могли бы разделить «глобальное» четырехстороннее (четырехчастное) запутывание.
Следовательно, многоплановое запутывание сопровождается повышенной сложностью в системе. Хотя это существенно усложняет создание и характеристику этих квантовых состояний, оно также делает запутанные состояния более ценными для задач квантовой информатики.
Их работа, описанная в выпуске журнала «Природа» от 18 ноября, также продемонстрировала квантовый интерфейс между атомными воспоминаниями, представляющими что-то похожее на «жесткий диск» компьютера для запутывания, и четырьмя лучами света, что позволяет в четыре раза запутанность будет распространяться фотонами по квантовым сетям. Исследование представляет собой важное достижение в квантовой информатике, расширяя когерентный контроль запутывания с двух до нескольких (четырех) пространственно разделенных физических систем материи и света.
Эксперимент с доказательством принципа, проведенный профессором Уильямом Валентином и профессором физики Х. Джеффом Кимблом, помогает проложить путь к квантовым сетям. Подобно Интернету в нашей повседневной жизни, квантовая сеть представляет собой квантовую «сеть», состоящую из множества взаимосвязанных квантовых узлов, каждый из которых способен выполнять элементарные квантовые логические операции (аналогично «И» и «ИЛИ» в компьютерах). использование «квантовых транзисторов» и сохранение результирующих квантовых состояний в квантовой памяти. Квантовые узлы «связаны» друг с другом квантовыми каналами, которые переносят, например, пучки фотонов для доставки квантовой информации от узла к узлу. Такая взаимосвязанная квантовая система могла бы функционировать как квантовый компьютер или, как предложил покойный физик Калтеха Ричард Фейнман в 1980-х годах,
Квантовая запутанность является наиболее существенной особенностью квантовой сферы и включает в себя корреляции между компонентами всей физической системы, которые не могут быть описаны классической физикой. Как ни странно, для запутанной квантовой системы не существует объективной физической реальности для свойств системы. Вместо этого запутанная система содержит одновременно множество возможностей для своих свойств. Такая запутанная система была создана и сохранена исследователями Caltech.
Ранее группа Кимбла запутала пару атомных квантовых воспоминаний и когерентно перенесла запутанные фотоны в квантовые воспоминания и из них (http://media.caltech.edu/press_releases/13115). При таком двухкомпонентном или двудольном запутывании подсистемы либо запутаны, либо нет. Но для многокомпонентной запутанности с более чем двумя подсистемами - или многочастной запутанности - есть много возможных способов запутать подсистемы. Например, с четырьмя подсистемами все возможные комбинации пар могут быть перепутаны, но не перепутаны по всем четырем компонентам; в качестве альтернативы они могли бы разделить «глобальное» четырехстороннее (четырехчастное) запутывание.
Следовательно, многоплановое запутывание сопровождается повышенной сложностью в системе. Хотя это существенно усложняет создание и характеристику этих квантовых состояний, оно также делает запутанные состояния более ценными для задач квантовой информатики.
Для достижения многоплановой запутанности команда Caltech использовала лазеры для охлаждения четырех коллекций (или ансамблей) около миллиона атомов цезия, разделенных на 1 миллиметр и захваченных в магнитном поле, с точностью до нескольких сотен миллионных долей градуса выше абсолютного нуля. Каждый ансамбль может иметь атомы с внутренними спинами, которые «вверх» или «вниз» (аналогично вращающимся вершинам) и которые в совокупности описываются «спиновой волной» для соответствующего ансамбля. Именно этим спиновым волнам исследователям Калифорнийского технологического института удалось запутаться среди четырех атомных ансамблей.
Техника, используемая командой Caltech для создания четырехстороннего запутывания, является продолжением теоретической работы Люминга Дуана, Михаила Лукина, Игнасио Чирака и Питера Золлера в 2001 году для создания двудольного спутывания посредством акта квантового измерения. Этот вид «индуцированного измерениями» запутывания для двух атомных ансамблей был впервые достигнут группой Caltech в 2005 году (http://media.caltech.edu/press_releases/12776).
В текущем эксперименте запутанность «хранится» в четырех атомных ансамблях в течение различного времени, а затем «считывается» - по существу, переносится - в четыре луча света. Для этого исследователи расстреляли четыре «читаемых» лазера в четырех, теперь запутанных, ансамблях. Когерентное расположение амплитуд возбуждения атомов в ансамблях, описываемое спиновыми волнами, усиливает взаимодействие вещества с светом через явление, известное как сверхизлучающее излучение.
«Излучаемый свет от каждого атома в ансамбле конструктивно мешает свету от других атомов в прямом направлении, что позволяет нам передавать возбуждения спиновых волн ансамблей отдельным фотонам», - говорит Акихиса Гобан, аспирант и соавтор Калифорнийского технологического института бумага. Таким образом, исследователи смогли когерентно перенести квантовую информацию из отдельных наборов многораздельных запутанных атомов в четыре запутанных пучка света, образуя мост между веществом и светом, необходимый для квантовых сетей.
Коллектив Caltech исследовал динамику, с которой многораздельная запутанность распадалась, сохраняясь в атомных воспоминаниях. «В зоологии запутанных состояний наш эксперимент иллюстрирует, как многораздельные запутанные спиновые волны могут эволюционировать в различные подмножества запутанных систем с течением времени, и проливает свет на сложность и хрупкость квантового запутывания в открытых квантовых системах», - говорит аспирант Caltech Kyung. Су Чой, ведущий автор газеты «Природа». Исследователи предполагают, что разработанные теоретические инструменты для изучения динамики затухания запутанности могут быть применены для изучения запутанных спиновых волн в квантовых магнитах.
Дальнейшие возможности их эксперимента включают расширение многоплановой запутанности через квантовые сети и квантовую метрологию. «Наша работа представляет новые наборы экспериментальных возможностей для генерации, хранения и передачи многочастичного запутывания от материи к свету в квантовых сетях», - объясняет Чой. «Это означает все возрастающую степень изысканного квантового контроля для изучения и манипулирования запутанными состояниями материи и света».
Помимо Кимбла, Чоя и Гобана, другими авторами статьи «Запутывание спиновых волн среди четырех квантовых воспоминаний» являются Скотт Папп, бывший доктор наук в Центре физики информации Калифорнийского технологического института в настоящее время в Национальном институте. стандартов и технологий в Боулдере, штат Колорадо, и Стивен ван Энк, теоретический сотрудник и профессор физики в Университете штата Орегон, а также сотрудник Института квантовой информации в Калифорнийском технологическом институте.
Это исследование было профинансировано Национальным научным фондом, программой стипендий для науки и техники Национальной безопасности Министерства обороны США (DOD), корпорацией Northrop Grumman и деятельностью по разведывательным исследованиям.
Автор Джон Вайнер jrweiner@caltech.edu
Комментариев нет:
Отправить комментарий