量子自旋之间的相互作用构成了宇宙中一些最有趣现象的基础，比如超导体和磁体。然而，物理学家很难在实验室中设计出可控制的系统来复制这些相互作用。
现在，在最近发表在《自然》杂志上的一篇论文中，JILA和NIST研究员、科罗拉多大学博尔德分校物理学教授叶军和他的团队，以及哈佛大学米哈伊尔·卢金小组的合作者，在一个被称为Floquet工程的过程中，使用周期性微波脉冲来调节超冷钾铷分子之间的相互作用，该系统适合研究基本磁系统。此外，研究人员在他们的系统中观察到双轴扭曲动力学，这可以在未来产生纠缠态，以增强量子传感。
在这个实验中，研究人员操纵了极冷的钾铷分子。由于极性分子是量子模拟的一个有前途的平台，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。
JILA的研究生、该研究的第一作者考尔德·米勒(Calder Miller)解释说:“人们对使用这些量子系统很感兴趣，尤其是极性分子——由于分子具有丰富的能量结构，依赖于许多不同的物理常数，因此对许多新的物理效应可能很敏感。”“所以，如果我们能设计它们的相互作用，原则上，我们就能创造出纠缠态，从而对新物理学有更好的灵敏度。”
实施Floquet工程
Floquet工程已经成为驱动物理系统内部相互作用的一种有用技术。这种方法就像“量子频闪灯”，通过调节闪光的速度和强度，可以产生不同的视觉效果，比如让物体看起来在慢动作中移动，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相互作用的方式来创造不同的量子效应。
“在我们的旧装置中，我们可以驱动的脉冲数量有限，”Annette Carroll说，她是叶研究小组的JILA研究生，也是这项研究的作者之一。“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，现在可以应用数千个脉冲。这意味着我们不仅可以设计一个消除单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中编码量子信息(尽管分子有更多的状态)。使用初始微波脉冲，将分子置于这两种“自旋”状态的量子叠加态。
在对信息进行编码后，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，即XXZ和XYZ自旋模型。这些模型描述了粒子固有的量子自旋如何相互作用，这是理解磁性材料和其他多体现象的基础。
虽然物理学家使用数学构造的布洛赫球来展示这些模型中的自旋是如何演变的，但更容易想象分子是如何根据它们与邻居或舞伴的相互作用来改变它们的舞蹈模式的。这些分子舞蹈者可能会从拉动或推动它们的伙伴切换，这在量子层面上可以等同于自旋方向的变化。
在这项研究中，“量子频闪光”，或Floquet工程，推动了分子之间相互作用的这些变化，研究人员证实，这些变化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，以实现电场无法产生的非对称相互作用。
做(两轴)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。
双轴扭曲包括沿两个不同的轴推动和拉动量子自旋，这可能导致高度纠缠态。这个过程对于推进传感和精确测量是有价值的，因为它允许有效地创建自旋压缩状态。这些态减少了自旋系统中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。
米勒说:“当我们看到两轴扭曲的初始特征时，这是非常令人兴奋的。”我们不确定我们是否能够做到这一点，但我们尝试了一下，一天半后，很明显我们收到了信号。”
两轴扭转的概念在20世纪90年代初被提出，但它在两个JILA实验室的实现必须等到2024年。除了叶和他的团队的这项工作之外，JILA和NIST研究员以及科罗拉多大学博尔德物理学教授詹姆斯·汤普森和他的团队使用了一种完全不同的方法来研究原子-腔量子电动力学，或腔qed -今年也展示了两轴扭曲。
虽然研究人员没有尝试在他们的系统中检测纠缠，但他们计划在未来这样做。
米勒补充说:“最合乎逻辑的下一步是改进我们的检测，这样我们就可以实际验证纠缠态的产生。”
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