列日大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種突破性的方法，利用幾何學(xué)和量子控制相結(jié)合，快速生成量子疊加態(tài)（即NOON態(tài)）。這項(xiàng)創(chuàng)新將制備時(shí)間從幾分鐘大幅縮短至幾毫秒，為量子計(jì)算和超精密傳感器的實(shí)際應(yīng)用打開了大門。
長(zhǎng)期以來(lái)，創(chuàng)建超冷原子的量子疊加一直是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，現(xiàn)有方法被證明速度太慢，無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)際應(yīng)用。列日大學(xué)的研究人員如今開發(fā)出一種新方法，將幾何學(xué)與“量子控制”相結(jié)合，顯著加速了這一過(guò)程，為量子技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用打開了大門。
想象一下，推著滿滿一車的購(gòu)物車逛超市。目標(biāo)是比其他人更快到達(dá)收銀臺(tái)，并且不會(huì)在急轉(zhuǎn)彎時(shí)丟失商品。成功的關(guān)鍵在于找到最筆直、最順暢的路徑，保持速度，而無(wú)需減速。
這正是列日大學(xué)博士研究員西蒙·登吉斯（Simon Dengis）所取得的成就。他并非在超市，而是在復(fù)雜的量子物理領(lǐng)域。
NOON 態(tài)是一種疊加量子態(tài)，其中 N 個(gè)粒子“同時(shí)”處于一種狀態(tài)，又“同時(shí)”處于另一種狀態(tài)。在這里，粒子被困在兩個(gè)阱中，位于由激光形成的阱內(nèi)。因此，疊加態(tài)由所有粒子都位于左側(cè)阱中的狀態(tài)和它們被困在右側(cè)阱中的狀態(tài)組成。當(dāng)粒子位于同一位置時(shí)，它們會(huì)相互作用并“粘”在一起，從而阻止單個(gè)粒子離開阱。圖片來(lái)源：列日大學(xué) / S. Dengis
鄧吉斯與量子統(tǒng)計(jì)物理（PQS）團(tuán)隊(duì)合作，開發(fā)了一種快速生成 NOON 態(tài)的協(xié)議?！斑@些態(tài)看起來(lái)像薛定諤那只著名的貓的微縮版本，是量子疊加態(tài)，”他解釋道?！八鼈儗?duì)于超精密量子傳感器或量子計(jì)算機(jī)等技術(shù)至關(guān)重要。”
主要挑戰(zhàn)是什么？制造這些狀態(tài)通常需要太長(zhǎng)時(shí)間。我們說(shuō)的是幾十分鐘甚至更長(zhǎng)時(shí)間，這通常超出了實(shí)驗(yàn)的壽命。原因是什么？能量瓶頸，即系統(tǒng)演化過(guò)程中的“急轉(zhuǎn)彎”，迫使其速度減慢。
反非絕熱控制通過(guò)某種方式改變系統(tǒng)慣性來(lái)補(bǔ)償其慣性。在本例中，為了補(bǔ)償服務(wù)員移動(dòng)引起的水的移動(dòng)，服務(wù)員可以傾斜托盤來(lái)抵消玻璃杯的慣性，防止其傾倒。圖片來(lái)源：列日大學(xué) / S.Dengis
這正是列日大學(xué)團(tuán)隊(duì)的突破之作。他們結(jié)合了反非絕熱驅(qū)動(dòng)和最優(yōu)測(cè)地線路徑這兩個(gè)強(qiáng)大的概念，成功地為原子鋪平了道路。結(jié)果：系統(tǒng)可以更快地演化，而不會(huì)偏離理想狀態(tài)的軌跡，就像駕駛員通過(guò)傾斜托盤來(lái)預(yù)測(cè)彎道一樣。
“這種策略節(jié)省了大量時(shí)間：在某些情況下，處理速度可加快10000倍，同時(shí)保持99%的保真度，即接近完美的結(jié)果，”實(shí)驗(yàn)室主任Peter Schlagheck說(shuō)道。此前，創(chuàng)建這種狀態(tài)大約需要十分鐘，而研究人員成功地將等待時(shí)間大幅縮短……至0.1秒！
憑借這一突破，我們終于可以用超冷原子產(chǎn)生NOON態(tài)。這為量子計(jì)量學(xué)（對(duì)時(shí)間、旋轉(zhuǎn)或重力進(jìn)行超靈敏測(cè)量）和量子信息技術(shù)開辟了廣闊的前景。最終，這些工具可以改進(jìn)量子陀螺儀或微型重力探測(cè)器等儀器。
所提出的協(xié)議（藍(lán)色，GCD）可以擴(kuò)大能量瓶頸（與通常的紅色協(xié)議G相比），因此在接近瓶頸時(shí)需要的制動(dòng)更少。這幅圖可以用摩托車比賽來(lái)理解：由于轉(zhuǎn)彎不太“平穩(wěn)”，紅色摩托車需要比藍(lán)色摩托車制動(dòng)更多。因此，藍(lán)色摩托車將比對(duì)手先到達(dá)目的地。此時(shí)，系統(tǒng)能量（以及其狀態(tài)）的變化不那么突然，從而可以大幅加速整個(gè)過(guò)程。圖片來(lái)源：列日大學(xué)/S.Dengis
這項(xiàng)研究展示了理論與實(shí)驗(yàn)如何相結(jié)合，從而推動(dòng)量子物理學(xué)取得具體進(jìn)展。通過(guò)將數(shù)學(xué)概念、基礎(chǔ)物理和實(shí)驗(yàn)可行性相結(jié)合，列日大學(xué)的研究人員取得了突破性進(jìn)展，有望將曾經(jīng)的理論轉(zhuǎn)化為未來(lái)的技術(shù)。
量子疊加是指一個(gè)量子系統(tǒng)（例如原子、電子或光子）在未被觀測(cè)到的情況下，可以同時(shí)處于多種狀態(tài)。最常用來(lái)解釋這一概念的例子是薛定諤的貓：一只貓被鎖在一個(gè)盒子里。根據(jù)量子力學(xué)，在盒子被打開之前，這只貓既活著又死了。這種兩種狀態(tài)的同時(shí)組合被稱為疊加。
只有打開盒子觀察，我們才能“迫使”自然選擇一種狀態(tài)：活著還是死去。NOON 態(tài)是量子疊加的一個(gè)例子：所有原子同時(shí)處于左側(cè)勢(shì)阱和右側(cè)勢(shì)阱中。只有在測(cè)量的時(shí)刻，它們才會(huì)出現(xiàn)在其中之一。
編譯自/scitechdaily
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