浙江
列日大学的研究人员开发出一种突破性的方法，利用几何学和量子控制相结合，快速生成量子叠加态（即NOON态）。这项创新将制备时间从几分钟大幅缩短至几毫秒，为量子计算和超精密传感器的实际应用打开了大门。
长期以来，创建超冷原子的量子叠加一直是一项重大挑战，现有方法被证明速度太慢，无法在实验室中实际应用。列日大学的研究人员如今开发出一种新方法，将几何学与“量子控制”相结合，显著加速了这一过程，为量子技术的实际应用打开了大门。
想象一下，推着满满一车的购物车逛超市。目标是比其他人更快到达收银台，并且不会在急转弯时丢失商品。成功的关键在于找到最笔直、最顺畅的路径，保持速度，而无需减速。
这正是列日大学博士研究员西蒙·登吉斯（Simon Dengis）所取得的成就。他并非在超市，而是在复杂的量子物理领域。
NOON 态是一种叠加量子态，其中 N 个粒子“同时”处于一种状态，又“同时”处于另一种状态。在这里，粒子被困在两个阱中，位于由激光形成的阱内。因此，叠加态由所有粒子都位于左侧阱中的状态和它们被困在右侧阱中的状态组成。当粒子位于同一位置时，它们会相互作用并“粘”在一起，从而阻止单个粒子离开阱。图片来源：列日大学 / S. Dengis
邓吉斯与量子统计物理（PQS）团队合作，开发了一种快速生成 NOON 态的协议。“这些态看起来像薛定谔那只著名的猫的微缩版本，是量子叠加态，”他解释道。“它们对于超精密量子传感器或量子计算机等技术至关重要。”
主要挑战是什么？制造这些状态通常需要太长时间。我们说的是几十分钟甚至更长时间，这通常超出了实验的寿命。原因是什么？能量瓶颈，即系统演化过程中的“急转弯”，迫使其速度减慢。
反非绝热控制通过某种方式改变系统惯性来补偿其惯性。在本例中，为了补偿服务员移动引起的水的移动，服务员可以倾斜托盘来抵消玻璃杯的惯性，防止其倾倒。图片来源：列日大学 / S.Dengis
这正是列日大学团队的突破之作。他们结合了反非绝热驱动和最优测地线路径这两个强大的概念，成功地为原子铺平了道路。结果：系统可以更快地演化，而不会偏离理想状态的轨迹，就像驾驶员通过倾斜托盘来预测弯道一样。
“这种策略节省了大量时间：在某些情况下，处理速度可加快10000倍，同时保持99%的保真度，即接近完美的结果，”实验室主任Peter Schlagheck说道。此前，创建这种状态大约需要十分钟，而研究人员成功地将等待时间大幅缩短……至0.1秒！
凭借这一突破，我们终于可以用超冷原子产生NOON态。这为量子计量学（对时间、旋转或重力进行超灵敏测量）和量子信息技术开辟了广阔的前景。最终，这些工具可以改进量子陀螺仪或微型重力探测器等仪器。
所提出的协议（蓝色，GCD）可以扩大能量瓶颈（与通常的红色协议G相比），因此在接近瓶颈时需要的制动更少。这幅图可以用摩托车比赛来理解：由于转弯不太“平稳”，红色摩托车需要比蓝色摩托车制动更多。因此，蓝色摩托车将比对手先到达目的地。此时，系统能量（以及其状态）的变化不那么突然，从而可以大幅加速整个过程。图片来源：列日大学/S.Dengis
这项研究展示了理论与实验如何相结合，从而推动量子物理学取得具体进展。通过将数学概念、基础物理和实验可行性相结合，列日大学的研究人员取得了突破性进展，有望将曾经的理论转化为未来的技术。
量子叠加是指一个量子系统（例如原子、电子或光子）在未被观测到的情况下，可以同时处于多种状态。最常用来解释这一概念的例子是薛定谔的猫：一只猫被锁在一个盒子里。根据量子力学，在盒子被打开之前，这只猫既活着又死了。这种两种状态的同时组合被称为叠加。
只有打开盒子观察，我们才能“迫使”自然选择一种状态：活着还是死去。NOON 态是量子叠加的一个例子：所有原子同时处于左侧势阱和右侧势阱中。只有在测量的时刻，它们才会出现在其中之一。
编译自/scitechdaily
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