Aruncați o privire mai atentă asupra ciudățeniei cuantice printr-un nou mod de a controla și măsura atomii

Acum, o echipă de cercetători din Princeton, condusă de Jeff Thompson, profesor asistent de inginerie electrică, a dezvoltat o nouă modalitate de monitorizare și măsurare a atomilor care sunt atât de apropiați încât niciun obiectiv optic nu îi poate distinge.

Descris într-un articol publicat în 30 octombrie 2020 în jurnal Ştiinţă, metoda sa excită atomii de erbiu distanțați într-un cristal de un laser reglat într-un circuit optic la scară nano. Cercetătorii profită de faptul că fiecare atom răspunde la frecvențe sau culori ușor diferite de lumina laserului, permițând cercetătorilor să rezolve și să controleze mai mulți atomi, fără a se baza pe informațiile lor spațiale.

Într-un microscop convențional, spațiul dintre doi atomi dispare efectiv atunci când separarea lor este mai mică decât o distanță cheie numită limită de difracție, care este aproximativ egală cu lungimea de undă a luminii. Acest lucru este analog cu două stele îndepărtate care apar ca un singur punct de lumină pe cerul nopții. Totuși, aceasta este și scara la care atomii încep să interacționeze și să dea naștere unui comportament mecanic cuantic bogat și interesant.

Ne întrebăm întotdeauna, la cel mai fundamental nivel (în interiorul solidelor, în interiorul cristalelor), ce fac de fapt atomii? Cum interacționează? “a spus fizicianul Andrei Faraon, profesor la Institutul de Tehnologie din California care nu a fost implicat în cercetare”. [paper] deschide fereastra pentru a studia atomii care sunt foarte, foarte aproape. ”

Studierea atomilor și a interacțiunilor lor la distanțe scurte le permite oamenilor de știință să exploreze și să controleze o proprietate cuantică cunoscută sub numele de spin. Ca o formă de impuls, rândul este de obicei descris ca sus sau jos (sau ambele, dar aceasta este o altă poveste). Când distanța dintre doi atomi devine foarte mică (doar miimi de metru), rotația unuia influențează rotația celuilalt și invers. Pe măsură ce rotirile interacționează în acest tărâm, ele se pot încurca, un termen folosit de oamenii de știință pentru a descrie două sau mai multe particule care sunt indisolubil legate. Particulele încâlcite se comportă ca și când ar avea o existență, oricât de îndepărtate ar fi ele. Împletirea este fenomenul esențial care separă mecanica cuantică de lumea clasică și se află în centrul viziunii tehnologiilor cuantice. Noul dispozitiv Princeton este o trambulină pentru oamenii de știință care studiază aceste interacțiuni rotaționale cu o claritate fără precedent.

O caracteristică importantă a noului dispozitiv Princeton este potențialul său de a viza sute de atomi simultan, oferind un laborator cuantic bogat în care să colecteze date empirice. Este o binecuvântare pentru fizicienii care speră să descopere cele mai profunde mistere ale realității, inclusiv natura înfiorătoare a încâlcirii.

Această cercetare nu este doar ezoterică. În ultimele trei decenii, inginerii au încercat să utilizeze fenomene cuantice pentru a crea tehnologii complexe de procesare și comunicare a informațiilor, de la blocurile logice ale computerelor cuantice emergente, capabile să rezolve probleme imposibile pe de altă parte, la metode de Comunicare ultra-sigură care poate lega mașini cuantice de internet inaccesibile. Pentru a dezvolta în continuare aceste sisteme, oamenii de știință vor trebui să întrețină în mod fiabil particule și să le exploateze pentru a codifica și prelucra informațiile.

Echipa lui Thompson a văzut o oportunitate în erbiu. Folosit în mod tradițional în lasere și magneți, erbiul nu a fost explorat pe scară largă pentru utilizarea în sistemele cuantice, deoarece este dificil de observat, potrivit cercetătorilor. Echipa a făcut pași mari în 2018, dezvoltând o modalitate de a îmbunătăți lumina emisă de acești atomi și de a detecta acest semnal într-un mod extrem de eficient. Acum au arătat că pot face totul în masă.

Când laserul luminează atomii, îi excită suficient încât să poată emite o lumină slabă la o singură frecvență, dar suficient de delicat pentru a păstra și a citi rotațiile atomilor. Aceste frecvențe se schimbă atât de subtil în funcție de diferitele stări ale atomilor, astfel încât „sus” are o frecvență și „jos” are alta, iar fiecare atom individual are propria pereche de frecvențe.

„Dacă aveți un set de aceste qubituri, toate emit lumină la frecvențe foarte puțin diferite. Așadar, ajustând cu atenție laserul la frecvența uneia sau alteia, ne putem apropia de ei, chiar dacă nu avem capacitatea de a le rezolva spațial “, a spus Thompson.„ Fiecare atom vede toată lumina, dar ascultați doar frecvența la care este reglat ”.

Frecvența luminii este apoi un proxy perfect pentru rotație. Schimbarea virajelor în sus și în jos oferă cercetătorilor o modalitate de a face calcule. Este similar cu tranzistoarele care sunt pornite sau oprite pe un computer clasic, dând naștere la zerouri și la lumea noastră digitală.

Pentru a forma baza unui procesor cuantic util, acești qubiți vor trebui să facă un pas mai departe.

„Puterea interacțiunii este legată de distanța dintre cele două viraje”, a spus Songtao Chen, cercetător postdoctoral în laboratorul Thompson și unul dintre cei doi autori principali ai lucrării. „Vrem să le facem apropiate, astfel încât să putem avea acea interacțiune reciprocă și să folosim acea interacțiune pentru a crea o poartă logică cuantică.”

O poartă logică cuantică necesită două sau mai multe qubits întrețesute, ceea ce îl face capabil să efectueze operații cuantice unice, cum ar fi calcularea modelelor de pliere a proteinelor sau rutare de informații către internetul cuantic.

Thompson, care deține o poziție de conducere în noua inițiativă științifică cuantică a Departamentului de Energie din SUA, are o misiune de a atinge acești qubits. În zona de materiale a Co-Design Center for Quantum Advantage, el direcționează secțiunile despre qubits pentru calcul și rețea.

Sistemul său erbi, un nou tip de qubit care este deosebit de util în aplicațiile de rețea, poate funcționa utilizând infrastructura de telecomunicații existentă, trimitând semnale sub formă de lumină codificată prin dispozitive de siliciu și fibră optică. Aceste două proprietăți oferă erbiului un avantaj industrial față de cele mai avansate qubite în stare solidă de astăzi, care transmit informații prin lungimi de undă de lumină vizibilă care nu funcționează bine cu rețelele de comunicații cu fibră optică.

Cu toate acestea, pentru a funcționa la scară largă, sistemul de erbiu va trebui să fie proiectat în continuare.

Deși echipa poate monitoriza și măsura starea de rotație a qubiturilor lor, indiferent cât de aproape sunt și poate utiliza structuri optice pentru a produce măsurători de înaltă fidelitate, tot nu poate organiza qubiturile după cum este necesar pentru a forma două uși qubit. Pentru a face acest lucru, inginerii vor trebui să găsească un alt material pentru a găzdui atomii de erbiu. Studiul a fost conceput ținând cont de această îmbunătățire viitoare.

„Unul dintre principalele avantaje ale modului în care am făcut acest experiment este că nu are nimic de-a face cu locul în care se află erbiul”, a spus Mouktik Raha, student în inginerie electrică în anul șase și unul dintre cei doi lideri din ziar. . autori. „Atâta timp cât poți pune iarbă în ea și nu curge, este bine să mergi acolo”.

Referință: „Măsurarea paralelă cu o singură lovitură și controlul consecvent al rotațiilor în stare solidă sub limita difracției” de Songtao Chen, Mouktik Raha, Christopher M. Phenicie, Salim Ourari și Jeff D. Thompson, 30 de zile Octombrie 2020, Ştiinţă.
DOI: 10.1126 / science.abc7821

Christopher M. Phenicie și Salim Ourari, ambii studenți absolvenți în inginerie electrică, au contribuit, de asemenea, la lucrare. Lucrarea a fost realizată împreună cu Inițiativa Cuantică Princeton și a fost finanțată parțial de Fundația Națională pentru Științe, Centrul Princeton pentru Materiale Complexe, Biroul Forțelor Aeriene pentru Programul Tinerilor Cercetători. și Agenția pentru proiecte de cercetare avansată în domeniul apărării. .

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Modelul demonstrează similitudini în modul în care studiază oamenii și insectele

Modelul de calcul demonstrează similaritatea în cunoașterea împrejurimilor oamenilor și insectelor. Potrivit unui nou studiu de la Universitatea din Sussex, care arată cum oamenii pot...

Cum am creat „furtuna perfectă” pentru evoluția și transmiterea bolilor infecțioase, cum ar fi COVID-19

Potrivit unui cercetător de la Universitatea din Anglia de Est, în majoritatea modurilor noastre, „furtuna perfectă” a fost creată pentru evoluția și transmiterea bolilor...

„Adezivul molecular” crește eficiența și face ca celulele solare perovskite să devină mult mai fiabile în timp

Cercetătorii au folosit „adeziv molecular” auto-asamblat monostrat pentru a consolida interfețele din celulele solare perovskite pentru a le face mai eficiente, stabile și fiabile....

Pastele plate sunt atât de avansate încât se formează în morfuri atunci când sunt fierte

Laboratorul CMU gestionează producția de paste, care își schimbă forma pe măsură ce gătește. Credit: Universitatea Carnegie Mellon Pastele plate ambalate creează ambalare, transport...

Oamenii de știință ai undelor gravitaționale Excelentă nouă metodă de rafinare a constantei Hubble – expansiunea și vârsta universului

O ilustrare a artistului unei perechi unificate de stele neutronice. Credit: Carl Knox, Universitatea OzGrav-Swinburne O echipă de oameni de știință internaționali, condusă de...

Newsletter

Subscribe to stay updated.