Дослідники розробили нову стратегію генерації квантової заплутаності на основі ефекту спінового стиснення, яка дозволяє створювати простіші й компактніші квантові сенсори, використовуючи плоскі магніти, що значно спрощує процес їхнього виготовлення.
Квантові сенсори відкрили нові можливості для вимірювання таких величин, як атомні коливання, характеристики окремих фотонів і навіть флуктуації, пов’язані з гравітаційними хвилями. Важливою особливістю цих сенсорів є можливість використання квантової заплутаності для підвищення точності вимірювань, зокрема через так зване “спінове стиснення”. Це явище є формою квантової заплутаності, що знижує невизначеність у вимірюванні одного параметра, за рахунок збільшення невизначеності іншого. Такі спін-стиснуті стани дозволяють підвищити точність квантових сенсорів, але досягти їхньої реалізації було надзвичайно складно.
Раніше вважалося, що спінове стиснення можливе лише в системах зі взаємодією “всіх з усіма”, де кожна частинка впливає на всі інші. Ця взаємодія дозволяє накопичувати квантові кореляції, необхідні для досягнення спін-стиснутого стану. Проте в новому дослідженні, опублікованому в журналі Nature Physics, міжнародна команда вчених з Гарвардського університету показала, що спінове стиснення можна досягти і в системах із локальними взаємодіями, зокрема в плоских магнітах, що є значним кроком уперед у розробці компактних квантових сенсорів.
Ця робота базується на фундаментальних дослідженнях 1993 року, які вперше передбачили можливість створення спін-стиснутого стану через взаємодію “всіх з усіма” між атомами. Проте, в реальних умовах атоми зазвичай взаємодіють лише з найближчими сусідами, що ускладнювало практичну реалізацію цього підходу. В новій стратегії, запропонованій вченими, було показано, що локальні взаємодії в таких системах, як феромагнетики, можуть забезпечити всі необхідні умови для спінового стиснення. Ці системи не потребують екстремальних умов і є поширеними в природі.
Отримані результати демонструють, що взаємодія “всіх з усіма” не є обов’язковою для створення спінового стиснення. Якщо спіни в системі достатньо синхронізовані, можна динамічно генерувати спінове стиснення навіть у локально взаємодіючих системах. Це відкриття може сприяти розвитку нових типів портативних квантових сенсорів для біомедичної візуалізації, атомних годинників та інших високотехнологічних приладів.
Наступним кроком у цьому напрямі стануть експерименти зі створення спінового стиснення в квантових сенсорах, що базуються на дефектах у кристалічній структурі алмазів. Ці сенсори можуть використовувати спінове стиснення для підвищення чутливості, що було продемонстровано в експерименті LIGO зі виявлення гравітаційних хвиль, за що у 2017 році було присуджено Нобелівську премію.
**Заголовок:** Створення спінового стиснення в плоских магнітах для квантових сенсорів.