Исследователи из Калифорнийского технологического института разработали инновационный метод, позволяющий использовать естественное тепловое движение атомов как ценный ресурс в квантовых системах. Применяя сложные операции и измерения, учёные смогли не просто подавить «дрожание» атомов, а превратить его в основу для создания гиперзапутанности — корреляции сразу нескольких свойств частиц.

Обычные квантовые технологии используют оптические пинцеты — сфокусированные лазерные лучи для захвата и контроля отдельных атомов с невероятной точностью. Однако даже при сильном охлаждении атомы продолжают «дрожать» из-за тепловой энергии, что вносит шум и мешает работе квантовых систем. Команда Caltech смогла не только измерять это движение атомов в реальном времени, но и устранять нежелательную тепловую энергию по одному атому, вдохновившись концепцией «демона Максвелла» — мысленного эксперимента, разработанного в XIX веке.

Гиперзапутанность — состояние, при котором частицы связаны сразу по нескольким квантовым свойствам одновременно, а не по одному, как в классической квантовой запутанности. До этого такие эффекты наблюдались лишь у фотонов, но впервые Caltech добился гиперзапутанности у массивных нейтральных атомов, используя при этом их контролируемые колебания в оптических пинцетах.

Новая методика, получившая название «детекция и последующая активная коррекция тепловых возбуждений», позволяет охлаждать атомы практически до полного покоя, измеряя и устраняя тепловое движение атомов по отдельности в режиме реального времени. Это позволяет поддерживать сверхтонкие колебания амплитудой около 100 нанометров — в тысячи раз меньше толщины человеческого волоса.

По словам профессора Мануэля Эндреса, соавтора исследования, новый «инструментарий» управления движением атомов расширяет возможности квантовых устройств, в частности квантовых компьютеров, использующих атомы в качестве кубитов. Теперь ученые научились контролировать не только электроны внутри атомов, но и сами атомы как целостные объекты.