Физики запутали рекордные 219 ионов бериллия

Физики из Национального института стандартов и технологий (США) добились одновременной квантовой запутанности сразу 219 ионов бериллия (⁹Be⁺). Эту систему ученые использовали для имитации магнитных материалов. Авторы отмечают, что максимальное количество ионов, которые удавалось запутать между собой в ранних экспериментах, не превышало 20 штук. Исследование опубликовано в журнале Science, кратко о нем сообщает пресс-релиз института.

Ученые управляли ионами с помощью ловушки Пеннинга — специальным образом сконфигурированного электромагнитного поля. Оно удерживает частицы в определенной области пространства, ограничивая возможные скорости их движения. Главной сложностью, мешающей ввести в квантовое запутанное состояние неограниченное количество частиц, является декогеренция (о ней мы подробно писали ранее). Источниками декогеренции могут быть любые взаимодействия квантовой системы с классической окружающей средой и полями. 

Собрать в запутанном спиново-сжатом состоянии от 21 до 219 ионов бериллия удалось с помощью более точного, чем в ранних экспериментах, оборудования — источников стабильных магнитных полей и лазеров для контроля за квантовым состоянием ионов. Зафиксировать запутанность такого большого количества частиц удалось по уменьшению случайных флуктуаций при попытке измерить состояние единичных ионов. Для этого физики облучали ионы лазером и следили за их флуоресценцией. Теоретические предсказания говорят о том, что шум при измерении незапутанных ионов должен был быть больше, чем в случае запутанных. Именно это снижение шума и удалось установить в эксперименте.

Создание подобных квантовых симуляторов необходимо для того, чтобы изучать поведение крупных систем взаимодействующих частиц. Например, свойства магнитных систем определяются взаимодействиями между спинами атомов, входящих в состав системы. Моделировать их при помощи классических алгоритмов и компьютеров, как отмечают авторы, очень сложно или даже невозможно. 

Запутанные системы из сотен частиц ранее были описаны, но роль кубитов в них выполняли нейтральные атомы и молекулы. К примеру, недавно мы сообщали о спиново-сжатой системе из 480 атомов рубидия, для которой были доказаны нарушения неравенств Белла. Ионы, в отличие от нейтральных частиц, более удобны в управлении и считывании их квантовых состояний.

Владимир Королёв