量子自旋之间的相互作用是宇宙中一些最有趣现象的基础，例如超导体和磁体。然而，物理学家很难在实验室中设计出可控的系统来复制这些相互作用。

现在，在最近发表的一篇《自然》杂志论文中，JILA 和 NIST 研究员、科罗拉多大学博尔德分校物理学教授叶军及其团队与哈佛大学 Mikhail Lukin 团队的合作者一起，利用周期性微波脉冲，即所谓的 Floquet 工程，来调整超冷钾-铷分子之间的相互作用，该系统适合研究基本磁系统。此外，研究人员还观察到了系统内的双轴扭曲动力学，这可以产生纠缠态，以在未来增强量子传感。

在这项实验中，研究人员操纵了极冷钾铷分子，这些分子具有极性。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。

“人们对使用这些量子系统非常感兴趣，尤其是极性分子——它们对许多新物理效应很敏感，因为这些分子具有丰富的能量结构，而这些结构取决于许多不同的物理常数，”JILA 研究生、这项研究的第一作者 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，我们就可以创造出对新物理具有更好灵敏度的纠缠态。”

实施 Floquet 工程

弗洛凯工程已成为一种推动物理系统内相互作用的有用技术。这种方法就像一盏“量子频闪灯”，通过调整闪光的速度和强度，可以产生不同的视觉效果，比如让物体看起来慢动作移动，甚至静止不动。

类似地，通过使用周期性的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来产生不同的量子效应。

“在我们以前的设置中，我们能够驱动的脉冲数量有限，”叶研究团队的 JILA 研究生、本研究的共同作者 Annette Carroll 说道。“因此，我们与电子商店合作开发了基于 FPGA 的任意波形发生器，现在我们可以施加数千个脉冲。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。”

在实施弗洛凯工程之前，研究人员首先将量子信息编码在分子的两个最低旋转状态中(尽管分子有更多状态)。使用初始微波脉冲，分子被置于这两个“自旋”状态的量子叠加中。

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，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造的布洛赫球来展示这些模型中自旋的演变，但更容易想象的是，分子会根据它们与邻居或舞伴的互动方式改变它们的舞蹈模式。这些分子舞者可能会从拉动或推动舞伴切换到推动，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，“量子频闪灯”或弗洛奎特工程推动了分子间相互作用的变化，研究人员证实，这种变化产生的自旋动力学与通过施加电场微调相互作用产生的自旋动力学相似。此外，研究人员精确控制脉冲序列，以实现电场无法产生的对称性较低的相互作用。

做(双轴)扭转

研究人员还观察到他们的技术产生了双轴扭曲动力学。

双轴扭转涉及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状态。这一过程对于推进传感和精密测量很有价值，因为它可以高效地创建自旋压缩状态。这些状态降低了自旋系统一个组成部分的量子不确定性，同时增加了另一个正交组成部分的量子不确定性，从而提高了光谱实验的灵敏度。

米勒说：“当我们看到双轴扭转的初始迹象时，我们非常兴奋。我们不确定我们能否成功，但我们尝试了，一天半后，很明显我们收到了信号。”

双轴扭曲的概念早在 20 世纪 90 年代初就被提出，但它要到 2024 年才在两个 JILA 实验室中实现。除了叶博士及其团队的这项工作外，JILA 和 NIST 研究员、科罗拉多大学博尔德分校物理学教授詹姆斯·汤普森及其团队今年也采用了一种完全不同的研究原子的方法——腔量子电动力学，或称腔 QED，展示了双轴扭曲。

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。

米勒补充道：“下一步最合理的做法是改进我们的检测方法，这样我们就能真正验证纠缠态的产生。”

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