Физик Мануэль Эндрес из Калтеха изучает квантовые системы, управляя отдельными атомами с помощью оптических пинцетов — лазерных ловушек. Его команда использует их, чтобы перемещать атомы в массивах и исследовать фундаментальные квантовые свойства. Благодаря этим экспериментам появились новые методы исправления ошибок в квантовых устройствах, сверхточные часы и рекордная система контроля более 6000 атомов.

Одна из проблем — тепловое дрожание атомов, мешающее точному управлению. Но теперь ученые превратили этот недостаток в преимущество, используя движение атомов для кодирования квантовой информации.

Результаты опубликованы в издании Science.

Раньше атомные колебания считали шумом, а мы сделали их полезным ресурсом, — говорит Адам Шоу, один из авторов исследования.

Вместе с Паскалем Шоллом и Раном Финкельштейном он показал, как движение атомов можно связать с их внутренними состояниями, создав гиперзапутанность — когда две характеристики частицы коррелируют одновременно.

Обычная запутанность — это когда две частицы остаются связанными, даже если их разнести на огромные расстояния. Например, если у одной спин направлен вверх, у другой он всегда будет вниз. В гиперзапутанности добавляется еще одна связанная характеристика — как если бы у близнецов совпадали не только имена, но и марки машин.

В эксперименте атомы сначала охладили почти до полной неподвижности, используя метод, напоминающий мысленный эксперимент Максвелла с демоном, сортирующим частицы. Затем их заставили колебаться, как маятник, с амплитудой в 100 нанометров. Ученые добились суперпозиции движения — состояния, когда атом колеблется в двух направлениях одновременно.

Представьте ребенка на качелях, которого раскачивают с двух сторон сразу, — объясняет Эндрес. — В обычной жизни это конфликт, а в квантовом мире — полезный эффект.

Затем движение атомов запутали с их электронными состояниями. Это открывает путь к более эффективным квантовым вычислениям, симуляциям и сверхточным измерениям.

Этот эксперимент расширяет контроль над квантовыми системами. Если раньше движение атомов мешало, теперь его можно использовать для хранения и обработки информации. Гиперзапутанность позволяет кодировать больше данных на один атом, что критично для квантовых компьютеров. Кроме того, методы охлаждения могут улучшить атомные часы и прецизионные сенсоры.

Хотя результаты впечатляют, масштабирование системы на тысячи атомов без потери когерентности — серьезный вызов. Пока эксперименты проводятся в идеальных лабораторных условиях, а реальные квантовые устройства сталкиваются с декогеренцией и шумами.

Ранее ученые разработали оптический пинцет для захвата наночастиц.