2026年6月5日——要构建从传感器到计算机等有用的量子技术，就需要生成高度复杂的纠缠态，其中粒子的属性紧密交织在一起。传统上，产生这类状态需要复杂的工具和精心设计的、包含许多组件的实验装置。

如今，芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）的研究人员发现了一种令人惊讶的简单方法，可以创建并控制多种多样的纠缠量子态。他们的理论方法发表在《物理评论X》期刊上，其起点是量子物理实验室中已经常见的实验工具，并可立即应用于超精密传感技术和基础物理学研究。

“我们希望能利用在许多物理平台上都能找到的简单要素，以最简洁的方式将它们结合起来，以得到一些有趣、复杂且强大的结果。”芝加哥大学普利兹克分子工程学院分子工程学教授、这项新研究的资深作者Aashish Clerk表示。

该项研究得到了Q-NEXT的支持，Q-NEXT是美国能源部（DOE）下属的一个国家量子信息科学研究中心，由美国能源部的阿贡国家实验室领导。

带有“扭转”的光学腔

这一新纠缠态的起点是一个成熟的实验平台，称为腔量子电动力学，简称腔QED。在这些系统中，原子或其他粒子被放置在一个由两面镜子构成的光学腔室中。粒子与限制在光学腔内的光发生相互作用。

在大多数腔QED系统中，所有原子与受限光的相互作用方式完全相同，这使得它们彼此无法区分。这种对称性限制了系统所能产生的量子态的范围。

“挑战一直在于这些系统拥有过多的对称性。所有原子都以相同的方式与光‘对话’，”Clerk说，“这确实限制了你所能获得的纠缠态类型。”

在腔QED装置中，每个原子都有一个基态和一个激发态，两者之间存在能量差。

Clerk的研究小组有一个简单的方法来打破这种对称性：当所有原子都受到一个共同激光的驱动时，科学家们使用一个额外的磁场或额外的激光来调整不同原子组之间激发态的能量。研究人员对系统进行安排，使得每个原子都与另一个能量偏移量相等且相反的原子配对。这赋予了粒子各自独特的身份，同时保留了足够的结构以实现系统的可预测行为。通过改变哪些原子获得不同的能量分配，研究人员可以调整整个系统以产生一系列不同的状态，而无需改变任何物理组件。

“你打开这些激光并等待，在某个时刻，系统会稳定在一个有趣的、高度纠缠的量子态上，”Clerk课题组的博士后研究员、这项新工作的第一作者Anjun Chu说道，“只需简单地调整激光器，我们就能获得以前没有人想到过的各种纠缠态。”

感知差异

Clerk表示，新系统最重要的应用之一是量子传感。原则上，纠缠态可以检测两个位置之间磁场或引力场的微小差异。但是，生成高度敏感、对噪声鲁棒且易于测量的纠缠态一直是该领域一个尚未解决的主要挑战。

Clerk、Chu及其同事展示了他们提出的新腔QED系统的一种版本——涉及两个原子系综——如何用于测量磁场或引力场的梯度。将两个这样的系统分别放置在两个位置，它们的最终量子态将反映局部场之间的差异，同时对同样影响两个位置的背景噪声不敏感。

“你能够做到通常互不兼容的两件事：利用纠缠来构建一个极其灵敏的传感器，同时又对任意大量的噪声具有鲁棒性，”Clerk说，“通常情况下，纠缠非常脆弱。而这种方法具有惊人的韧性。”

重要的是，从这些状态中提取信息并不需要特殊的测量方法。标准技术（称为拉姆齐测量）就足以读取这些量子态。

下一步

除了传感之外，研究人员还表明，同一个平台可以产生物理学家广泛关注的奇异量子态。一个例子是AKLT态——一种著名的多体纠缠态，最早于20世纪80年代被描述为解释奇异磁性材料的一种方式。该团队展示了他们简单的装置可以稳定这一状态，该状态除了与复杂磁性材料相关外，还可能对量子计算有用。

目前这项工作仍是理论性的，研究人员正在与实验小组讨论实施和测试这些想法。他们还在探索在系统内部更复杂的原子排列方式，并致力于更全面地绘制出该方法能够生成的量子态图谱。

Clerk说：“如此简单的要素居然能产生如此复杂且有用的量子态，这给了我们希望：即使在我们实现通用量子计算机的梦想之前，我们就已经能够生成量子态，让我们在纯粹的经典世界里无法做到的事情。”