用于产生两轴扭转的脉冲序列旋转 KRb 分子的自旋，从而改变自旋交换相互作用。图片来源：Steven Burrows/Ye Group
量子自旋之间的相互作用是宇宙中一些最有趣的现象的基础，例如超导体和磁体。然而，物理学家很难在实验室中设计出复制这些相互作用的可控系统。
现在，在最近发表的一篇自然论文中，JILA 和 NIST 研究员、科罗拉多大学博尔德物理学教授 Jun Ye 和他的团队，以及哈佛大学 Mikhail Lukin 小组的合作者，在一种称为 Floquet 工程的过程中使用周期性微波脉冲，以调整适用于研究基本磁系统的系统中超冷钾-铷分子之间的相互作用。此外，研究人员在他们的系统内观察到了两轴扭曲动力学，这可以产生纠缠态，以在未来增强量子传感。
在这个实验中，研究人员操纵了超冷的钾铷分子，它们是极性的。由于极性分子是量子模拟的一个有前途的平台，因此使用 Floquet 工程的可调分子相互作用可以为理解其他量子多体系统打开新的大门。
“使用这些量子系统有很多兴趣，尤其是 [与] 极性分子一起使用——可能对许多新的物理效应很敏感，因为分子具有丰富的能量结构，取决于许多不同的物理常数，”JILA 研究生、该研究的第一作者 Calder Miller 解释说。“因此，如果我们能够设计它们的相互作用，原则上我们就可以创建纠缠态，从而对新物理学具有更好的敏感性。”
实施 Floquet 工程Floquet 工程已成为一种在物理系统内驱动交互的有用技术。这种方法的作用类似于“量子频闪灯”，它可以产生不同的视觉效果，例如通过调整闪光灯的速度和强度，使物体看起来慢动作甚至静止不动。
同样，通过使用周期性微波脉冲来驱动系统，科学家可以通过控制粒子的相互作用方式来产生不同的量子效应。
“在我们的旧设置中，我们可以驱动的脉冲数量是有限的，”Ye 研究团队的 JILA 研究生、这项研究的作者之一 Annette Carroll 说。“因此，我们与电子商店合作开发了一种基于 FPGA 的任意波形发生器，它使我们能够现在应用数千个脉冲。这意味着我们不仅可以设计一个消除单个粒子噪声的脉冲序列，还可以修改系统中的相互作用。
在实施 Floquet 工程之前，研究人员首先在分子的两个最低旋转状态（尽管分子有更多的状态）中编码量子信息。使用初始微波脉冲，将分子置于这两种“自旋”态的量子叠加中。
对信息进行编码后，研究人员使用 Floquet 工程技术来查看他们是否可以调整特定类型的量子相互作用，称为 XXZ 和 XYZ 自旋模型。这些模型描述了粒子的固有量子自旋如何相互作用，这对于理解磁性材料和其他多体现象至关重要。
虽然物理学家使用数学构建的 Bloch 球体来展示这些模型中的自旋是如何演变的，但根据分子与邻居或舞伴的互动方式，更容易将分子可视化为改变它们的舞蹈模式。这些分子舞者可能会从拉或推他们的伙伴之间切换，在量子水平上，这可以等同于自旋方向的变化。
在这项研究中，“量子频闪灯”或 Floquet 工程推动了分子之间相互作用的这些变化，研究人员验证这产生了与使用外加电场微调相互作用产生的自旋动力学相似的自旋动力学。此外，研究人员还精确控制了脉冲序列，以实现使用电场无法产生的不太对称的相互作用。
执行 （双轴） 扭转研究人员还观察到，他们的技术产生了两轴扭曲动力学。
两轴扭曲涉及沿两个不同的轴推拉量子自旋，这可能导致高度纠缠态。这个过程对于推进传感和精密测量很有价值，因为它允许有效地创建自旋挤压状态。这些态降低了自旋系统一个组分的量子不确定性，同时增加了另一个正交组分的量子不确定性，从而提高了光谱实验的灵敏度。
“当我们看到两轴扭曲的初始特征时，真是太令人兴奋了，”Miller 说。我们不确定我们是否能够让它发挥作用，但我们尝试了一下，一天半后，很明显我们得到了信号。
两轴加捻的概念是在 1990 年代初期提出的，但它在两个 JILA 实验室中必须等到 2024 年才能实现。除了 Ye 和他的团队的这项工作外，JILA 和 NIST 研究员、科罗拉多大学博尔德物理学教授 James Thompson 和他的团队使用了一种完全不同的方法来研究原子——空腔量子电动力学，或空腔 QED——今年还展示了两轴扭曲。
虽然研究人员没有尝试检测他们系统中的纠缠，但他们计划在未来这样做。
“最合乎逻辑的下一步是改进我们的检测，这样我们就可以真正验证纠缠状态的生成，”Miller 补充道。
更多信息：Calder Miller 等人，使用 Floquet 设计的具有极性分子的 XYZ 自旋模型的两轴扭曲，Nature （2024）。DOI： 10.1038/s41586-024-07883-2
期刊信息： Nature
