연구는 양자 물질의 얽힘을 제어하기 위한 단계를 설정합니다.

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양자 물질의 얽힘을 특성화하고 제어하는 ​​것은 차세대 양자 기술 개발에 중요합니다.

얽힘은 양자 광학으로 측정할 수 있지만 거시적 고체의 얽힘에 대한 정량화 가능한 성능 지수를 정의하는 것은 이론적으로나 실험적으로 어렵습니다.

미국 에너지부의 Early Career Award에서 자금을 지원한 연구를 통해 Clemson University의 과학자들과 협력자들은 평형 상태를 벗어난 양자 물질의 양자 얽힘과 강렬한 레이저 펄스에 의해 인위적으로 유도된 얽힘을 감지하는 새로운 접근 방식을 발견했습니다.

이 발견을 통해 연구자들은 초고속 시간 단위로 양자 장치를 제어할 수 있으며, 양자 응용을 위한 물질 기반 물질 상태 설계 방법을 선도할 수 있습니다.

이 연구는 최근 권위 있는 저널인 Nature Communications에 게재되었으며 양자 제어 커뮤니티와 X선이라는 두 가지 관심 분야에 관련된 연구자들의 관심을 끌었습니다. 기사 제목은 "시간 분해 공진 비탄성 X선 산란을 사용하여 빛에 의한 얽힘 목격"입니다.

얽힘은 알베르트 아인슈타인이 “으스스한 원거리 작용”으로 묘사한 현상으로, 두 아원자 입자가 멀리 떨어져 있어도 서로 밀접하게 연결될 수 있는 방법을 설명합니다. 분리에도 불구하고 하나의 아원자 입자에서 발생한 변화는 다른 아원자 입자에도 영향을 미칩니다.

클렘슨 물리학 및 천문학과 2학년 대학원생이자 논문의 제1저자인 조딘 헤일즈(Jordyn Hales)는 “얽힘은 양자 시스템의 고유한 특성이자 모든 양자 응용의 기초입니다.”라고 말했습니다. "이것이 유용하려면 이를 감지하고 제어할 수 있어야 합니다."

지난 몇 년 동안 과학자들은 중성자 산란에 의한 물질의 얽힘을 측정하기 위해 양자 피셔 정보(QFI)라는 양을 결정했습니다. 그러나 이 방법은 평형 조건으로 제한되어 초고속 시간 규모에서 작동하는 제어 가능한 양자 장치에 대한 적용이 제한됩니다.

이 새로운 연구에서 Clemson 물리학과 조교수 Yao Wang이 이끄는 과학자들은 최근 개발된 시간 분해 공진 비탄성 X선 산란 기술을 통해 모든 초고속 상태의 QFI를 해독하는 접근 방식을 발견했습니다. 모든 초고속 스펙트럼은 시간 분해능이 제한되어 있기 때문에 직접 변환이 불가능하지만 연구원들은 이 문제를 극복하기 위해 반복 알고리즘을 설계했습니다. 이 접근법은 평형 상태를 벗어난 모든 양자 물질의 양자 얽힘의 하한을 제공합니다.

“우리는 얽힘을 감지할 수 있기를 원할 뿐만 아니라 이를 제어하고 제어하는 ​​동안 추적할 수 있기를 원합니다. 이를 제어할 수 있는 효율적인 방법 중 하나는 시스템을 평형 상태에서 벗어나게 하는 강력한 레이저를 사용하는 것입니다.”라고 Hales는 말했습니다. “레이저 제어 재료는 하나의 재료를 합성하여 레이저를 빛낼 수 있다는 것을 의미합니다. 레이저는 출력, 주파수, 지속 시간, 편광이 다르므로 다양한 방식으로 제어할 수 있습니다. 이는 단일 재료의 경우 대규모 매개변수 공간에서 다양한 상태에 액세스할 수 있음을 의미합니다.”

Wang은 얽힘을 특성화할 수 있기 때문에 연구자들은 레이저에 대한 많은 예측 없이 무작위로 레이저를 제어하는 ​​대신 의도적으로 레이저 제어를 설계할 수 있다고 말했습니다.

“이것이 우리가 시간 해결 공진 비탄성 X선 산란을 사용하여 평형 외부의 얽힘을 감지하는 이 방법을 확장한 이유입니다. 이제 우리는 레이저 펄스에 의해 얽힘이 유발되는지 여부와 방법을 실시간으로 확인할 수 있습니다.”라고 Wang은 말했습니다.

Hales는 다음 단계는 실험 협력자들과 협력하여 결과를 검증하는 것이라고 말했습니다.

Hales는 “우리는 슈퍼컴퓨터에서 많은 시뮬레이션을 수행하여 레이저가 실제로 일시적인 얽힘을 유도할 수 있는 재료 시스템을 확인했습니다.”라고 말했습니다. "우리는 실험 공동 연구자가 우리 방법을 사용하여 물리적 측정을 수행하고 얽힘을 추출하기를 기다리고 있습니다." 이 논문의 공동 저자이자 전 Clemson 박사후 연구원인 Utkarsh Bajpai는 방법 도출에 크게 기여했습니다. 하버드 대학교와 매사추세츠 연구진