Articles

Come si crea Entanglement quantistico?

Posted by admin

Una mattina della scorsa settimana, sono arrivato al campus contemporaneamente a un collega del dipartimento di Storia che studia la storia della fisica. Mentre stavamo camminando verso il centro del campus dal parcheggio, ha posto la domanda titolo di questo post: “Come si fa a creare entanglement quantistico?”Ha notato che aveva letto un sacco di articoli di pop-science parlando degli aspetti strani della fisica che accade una volta che hai due particelle impigliate, ma tendevano a saltare leggermente i dettagli di come li impigli in primo luogo.,

Abbiamo avuto una bella conversazione su di esso mentre camminavamo, e l’ho archiviato come argomento per un post sul blog. Ho pensato che se il mio collega fosse confuso su questo, probabilmente lo sono anche un gruppo di altre persone. E mentre ho certamente scritto molto sull’entanglement qui (La prima pagina dei risultati di Google per “orzel forbes entanglement” fornisce uno, due, tre, quattro, cinque, sei, sette, otto, nove link, e non sono tutti), è anche vero che non sono entrato in molti dettagli sulla creazione di entanglement., Che risulta essere più facile di quanto si possa pensare da trattamenti pop-fisica che sottolineano la sua stranezza, e questa è un’ottima scusa per un post sul blog.

Prima di farlo, però, è importante impostare i parametri di base di ciò che intendiamo per “entanglement quantistico.”L’idea centrale è molto semplice: hai due particelle, ognuna delle quali può essere in uno dei due stati, e metterle in uno stato in cui i loro stati sono indeterminati, ma correlati., Se le misuri individualmente, ottieni una distribuzione casuale di risposte” 0 “e” 1″, ma se ripeti le misurazioni molte volte per molte coppie preparate in modo identico, scopri che gli elenchi risultanti di misure” 0 “e” 1 ” sono identici. Lo stato di una delle due particelle dipende dallo stato dell’altra e tale correlazione rimarrà anche quando sono separate.,

Ora, ecco una breve descrizione di quattro modi in cui puoi prendere due oggetti e metterli in questo tipo di stato quantico impigliato:

Schema del terzo aspetto esperimento che prova la non-località quantistica. Fotoni entangled dal… sorgente vengono inviati a due interruttori veloci, che li indirizzano a rivelatori polarizzanti. Gli interruttori cambiano le impostazioni molto rapidamente, modificando efficacemente le impostazioni del rivelatore per l’esperimento mentre i fotoni sono in volo., (Figura di Chad Orzel)

1) Entanglement From Birth: La stragrande maggioranza degli esperimenti di entanglement quantistico fino ad oggi usa i fotoni come particelle impigliate, per la semplice ragione che è davvero facile intrappolare due fotoni. E la maggior parte dei modi in cui le persone devono intrappolare i fotoni ti danno uno stato impigliato fin dall’inizio.

Il modo storico di farlo è usare una transizione “a cascata”, come è stato fatto da Alain Aspect e colleghi in una serie classica di esperimenti nei primi anni 1980, e da Freedman e Clauser un po ‘ prima., In questi esperimenti, hanno messo un gruppo di atomi di calcio in un livello di energia altamente eccitato in cui all’elettrone è vietato tornare allo stato fondamentale emettendo un singolo fotone. Invece, decadono emettendo due fotoni, passando attraverso uno stato intermedio con una breve durata. L’emissione di un fotone è seguita entro pochi nanosecondi dall’emissione del secondo, quindi se ne vedi uno, sai che l’altro dovrebbe essere in giro da qualche parte., E mentre questi fotoni sono emessi in direzioni casuali, quando succede che vengono emessi in direzioni opposte, allora la conservazione dell’angolo richiede che le loro polarizzazioni debbano essere correlate tra loro: cioè, devono essere in uno stato impigliato.

Le sorgenti a cascata funzionano, ma sono piuttosto lente perché ogni atomo spara fotoni in direzioni casuali, quindi ottenere due fotoni inviati nelle giuste direzioni per colpire i tuoi rivelatori può richiedere un po’., Il business dell’entanglement quantistico è stato rivoluzionato dallo sviluppo di fonti di “downconversion parametrica”, che utilizzano cristalli ottici non lineari per convertire singoli fotoni ad alta energia in coppie di fotoni con metà dell’energia iniziale. Un laser viola brillante in uno di questi cristalli (il materiale più comune utilizzato è “beta bario borato” o “BBO”) produrrà un piccolo numero di coppie di fotoni nel vicino infrarosso., C’è ancora un po ‘ di casualità nel processo, ma la conservazione della quantità di moto richiede che le coppie escano su lati opposti di un cono attorno al raggio laser originale, consentendo di mettere due rivelatori esattamente nel posto giusto per catturare i fotoni. E con la corretta disposizione del cristallo (in realtà due cristalli sottili incollati insieme nel modo giusto), le polarizzazioni dei due fotoni saranno correlate esattamente nel modo in cui è necessario dimostrare l’entanglement.,

Queste sorgenti parametriche di downconversion ti ottengono un tasso di conteggio molto più alto, consentendo agli esperimenti di raggiungere livelli veramente ridicoli di significatività statistica. Il sistema di base è anche abbastanza semplice da essere un esperimento di laboratorio universitario; abbiamo avuto diversi studenti negli ultimi anni a fare le loro tesi senior sulla downconversion parametrica (non con entanglement, ancora, ma ho alcuni studenti estivi in fila per lavorare su questo). Queste sono anche le fonti chiave per esperimenti sul teletrasporto quantistico e molti esperimenti di informazione quantistica., Se leggi una notizia il cui titolo fa riferimento alla descrizione derisiva di Einstein dell’entanglement, “interazione spettrale a distanza”, probabilmente c’è circa il 75% di possibilità che descriva esperimenti che usano la downconversion parametrica in qualche modo.

Immagine di uno schema per il calcolo quantistico ion-trap. Da Monroe group a JQI: http://iontrap.umd.edu/

2) Entanglement di seconda generazione., I fotoni sono ottimi per dimostrare l’entanglement e trasmettere informazioni, ma il mondo non è solo fotoni, e hanno alcuni svantaggi significativi. Primo fra tutti che sono un po ‘ difficili da tenere in giro, dal momento che per definizione si muovono sempre da qualche parte alla velocità della luce. Per molti scopi, sarebbe più bello intrappolare le particelle di materiale, perché sono più facili da trattenere per lunghi periodi di tempo.,

Uno dei modi più semplici per immaginare di farlo è semplicemente prendere una coppia di fotoni prodotti in uno stato impigliato e indirizzarli, ad esempio, a una coppia di atomi in grado di assorbire i fotoni in questione. Lo stato finale dell’assorbimento del fotone dipenderà dalla polarizzazione dei fotoni, quindi poiché le polarizzazioni sono indeterminate ma correlate, finirai con due atomi i cui stati sono indeterminati ma correlati.,

In pratica, questo è un po ‘ complicato, dal momento che i tipi di fotoni impigliati che puoi generare facilmente non si connettono facilmente a stati atomici che durano a lungo. Se sei intelligente, però, puoi trovare il modo di fare questo genere di cose e convertire l’entanglement dei fotoni in entanglement degli atomi che assorbono quei fotoni.

Apparecchio per impigliarsi ioni separati, mostrando i due sistemi di vuoto. (Foto da JQI)

3) Entanglement Per caso. Questo metodo è un trucco intelligente che trasforma il metodo precedente in inside-out., Cioè, inizia con una coppia di atomi in posizioni diverse che emettono fotoni. Portando i fotoni insieme nel modo giusto può intrappolare gli stati dei due fotoni, in un modo che porta a entanglement degli atomi originali.

L’ho appreso per la prima volta negli esperimenti del gruppo di Chris Monroe nel Maryland (link a un articolo sul mio altro blog), dove hanno usato ioni itterbio tenuti in trappole ioniche separate. Gli ioni erano eccitati in uno stato da cui potevano decadere in uno dei due modi, emettendo un fotone con una delle due polarizzazioni., Raccolgono i fotoni emessi e li riuniscono su un beamsplitter, con due fotorivelatori posti alle due uscite del beamsplitter.

In questa configurazione, circa il 25% delle volte che ottengono due fotoni che raggiungono il beamsplitter, rileveranno un fotone ad ogni uscita. Dall’ottica quantistica, sappiamo che quando questo accade i due fotoni avevano polarizzazioni opposte, il che significa che i due ioni sono finiti in due stati diversi. Ma non hanno modo di sapere quale ion ha emesso quale fotone., Quindi, i due ioni finiscono impigliati: se si misurano i singoli stati, si ottengono risultati casuali, ma se si confrontano gli elenchi di risultati per ogni ion su molte ripetizioni, si scopre che sono perfettamente correlati.

Questo è intrinsecamente probabilistico e gli esperimenti originali nel 2009(-ish) erano molto lenti. Hanno fatto alcuni perfezionamenti dello schema di base, ma non è ancora così conveniente una fonte di coppie entangled come si ottiene con downconversion parametrico., È, tuttavia, un trucco eccezionalmente freddo, perché i due ioni non sono mai vicini l’uno all’altro-sono intrappolati in camere a vuoto completamente separate, su diverse parti del tavolo laser. L’unica cosa che viene riunita è la luce che hanno emesso, ma questo è sufficiente per intrappolare gli ioni, con tutti gli strani risultati che ne derivano.

Schema dello schema di blocco di Rydberg. A sinistra: due atomi di stato fondamentale non si influenzano a vicenda, e… può essere eccitato da un laser (freccia verde)., Mezzo: una volta che un atomo è eccitato, sposta i livelli di energia dell’altro, bloccando l’eccitazione del laser. A destra: lo stato impigliato che deriva dal mettere il primo atomo in una sovrapposizione e poi cercare di eccitare il secondo. (Figura di Chad Orzel)

4) Entanglement per interazione. Il punto più fresco del metodo precedente-che gli ioni sono sempre separati-punta verso il metodo finale di generare entanglement, che è solo quello di riunire i due e lasciarli interagire in modo tale che gli stati finali delle due particelle dipendano l’uno dall’altro., Questo è, dopo tutto, il significato essenziale di ciò che è uno stato impigliato.

Ci sono un sacco di modi per farlo, per lo più associati a diversi schemi di calcolo quantistico, ma potrebbe essere più facile immaginare usando uno schema “Rydberg blockade”. L’idea qui è che se hai due atomi di stato fondamentale separati da una distanza minima, non si influenzano a vicenda, ma se ecciti quegli atomi in uno stato ad altissima energia (uno “stato di Rydberg” nel gergo della fisica atomica), interagiscono su intervalli più lunghi e possono quindi spostare i livelli di energia degli altri.,

Se organizzi le cose correttamente, l’eccitazione di un atomo allo stato di Rydberg sposterà i livelli di energia dell’altro abbastanza da non poter essere eccitato dallo stesso laser. Quindi, si usa un impulso laser per mettere uno in una sovrapposizione dello stato fondamentale e dello stato di Rydberg, quindi provare ad eccitare il secondo atomo, finisce in una sovrapposizione che è perfettamente anti-correlata con il primo atomo: la parte del primo atomo che è nello stato fondamentale è accoppiata con la parte del secondo atomo che è nel livello di Rydberg, e viceversa. In altre parole, i due atomi sono ora impigliati.,

Questo è un semplice esempio di un’interazione che porta a stati finali indeterminati ma correlati, ma ottiene l’idea chiave. Ogni volta che puoi riunire due sistemi in modo tale che lo stato finale di una particella dipenda dallo stato di input dell’altro, puoi creare uno stato impigliato rendendo quello stato di input una sovrapposizione quantistica. Ciò porterà necessariamente a una coppia di particelle ognuna delle quali è in uno stato indeterminato, con eventuali misurazioni di quegli stati perfettamente correlati (o anti-correlati)., È un’idea potente e centrale per praticamente tutti gli schemi di calcolo quantistico.

Vale la pena notare, qui, che tutti questi schemi hanno una caratteristica comune, vale a dire che l’entanglement viene creato in modo locale., Cioè, gli schemi coinvolgono particelle entangled che si trovano nello stesso posto ad un certo punto (i fotoni entangled provengono dallo stesso atomo o dal fotone di input, e gli atomi interagenti sono necessariamente vicini tra loro), o interagiscono attraverso qualcosa che passa tra loro a non più della velocità della luce (una coppia di fotoni entangled che viaggia verso atomi separati, o i fotoni da due ioni che viaggiano verso un beamsplitter)., Questa è una caratteristica fondamentale per mantenere contenuta la stranezza dell’entanglement’t non puoi semplicemente intrappolare arbitrariamente due particelle che non hanno una storia comune, il che esclude la maggior parte dei tentativi di giustificare i fenomeni paranormali invocando l’entanglement quantistico.

Questi metodi per generare entanglement sono molto generali e ci sono numerosi dettagli tecnici per implementarli con sistemi specifici che sto saltando., Questi dovrebbero aiutare a far passare le idee generali, quindi la prossima volta che leggi un articolo di pop-science sull’entanglement quantistico, avrai un’idea migliore di da dove viene.

Leave A Comment