Podívejme se blíže na kvantové šílenství prostřednictvím nové metody kontroly a měření atomů

Nyní tým princetonských vědců vedený Jeffem Thompsonem, odborným asistentem elektrotechniky, vyvinul nový způsob řízení a měření atomů, které jsou tak blízko u sebe, že je žádná optická čočka nerozezná.

Popsáno v článku publikovaném v časopise 30. října 2020 Vědajejich metoda vzrušuje blízko sebe atomy erbia v krystalu pomocí jemně vyladěného laseru v optickém obvodu v rozsahu nanometrů. Vědci využívají skutečnosti, že každý atom reaguje na mírně odlišné frekvence nebo barvy laserového světla a umožňuje vědcům rozlišovat a ovládat více atomů bez spoléhání se na jejich prostorové informace.

V konvenčním mikroskopu prostor mezi dvěma atomy účinně mizí, když je jejich vzdálenost menší než klíčová vzdálenost zvaná difrakční mez, což je zhruba vlnová délka světla. Je to analogické se dvěma vzdálenými hvězdami, které se na noční obloze objevují jako jediný bod světla. Toto je však také měřítko, ve kterém atomy začínají interagovat a produkovat bohaté a zajímavé kvantově mechanické chování.

“Vždycky nás zajímá, co atomy vlastně dělají na nejzákladnější úrovni – v pevných látkách, v krystalech.” Jak interagují? “řekl fyzik Andrei Faraon, profesor na Kalifornském technologickém institutu, který se výzkumu nezúčastnil.” [paper] otevře okno pro zkoumání atomů, které jsou v těsné blízkosti. “

Studiem atomů a jejich interakcí na malé vzdálenosti mohou vědci zkoumat a ovládat kvantovou vlastnost známou jako spin. Jako forma dynamiky je spin obvykle popisován buď jako nahoru nebo dolů (nebo obojí, ale to je jiný příběh). Když se vzdálenost mezi dvěma atomy mizivě zmenší – pouze miliardtiny metru – rotace jednoho ovlivní rotaci druhého a naopak. Když se v této oblasti točí, mohou se zamotat. Vědci používají tento termín k popisu dvou nebo více částic, které jsou neoddělitelně spojeny. Zamotané částice se chovají, jako by sdílely existenci, bez ohledu na to, jak jsou od sebe později vzdáleny. Zapletení je základní jev, který odděluje kvantovou mechaniku od klasického světa, a je středem vize kvantových technologií. Nové zařízení Princeton je odrazovým můstkem pro vědce ke studiu těchto spinových interakcí s bezprecedentní jasností.

Klíčovým rysem nového zařízení Princeton je jeho potenciál oslovit stovky atomů současně a nabízí bohatou kvantovou laboratoř, ve které sbírá empirická data. Je to požehnání pro fyziky, kteří doufají, že odhalí nejhlubší tajemství reality, včetně strašidelné povahy zapletení.

Takové vyšetřování není jen esoterické. Za poslední tři desetiletí se inženýři pokoušeli využít kvantové jevy k vývoji komplexních technologií pro zpracování a komunikaci informací, od logických stavebních kamenů rozvíjejících se kvantových počítačů schopných řešit jinak nemožné problémy, až po ultrabezpečné komunikační metody, s nimiž Stroje lze vzájemně propojit bez hacknutelného kvantového internetu. V zájmu dalšího vývoje těchto systémů musí vědci spolehlivě zaplétat částice a používat jejich zapletení ke kódování a zpracování informací.

Thompsonův tým viděl v Erbiu příležitost. Erbium, které se tradičně používá v laserech a magnetech, nebylo pro použití v kvantových systémech rozsáhle studováno, protože pro vědce bylo obtížné jej pozorovat. Tým udělal průlom v roce 2018 a vyvinul způsob, jak zlepšit světlo vyzařované těmito atomy a zachytit tento signál extrémně efektivně. Nyní ukázali, že mohou hromadně dělat cokoli.

Když laser osvětluje atomy, vzrušuje je to natolik, že mohou vyzařovat slabé světlo s jedinečnou frekvencí, ale dostatečně jemné, aby uchovalo a přečetlo otáčky atomů. Tyto frekvence se mění velmi nenápadně podle různých stavů atomů, takže „nahoru“ má jednu frekvenci a „dolů“ jinou a každý jednotlivý atom má svůj vlastní pár frekvencí.

“Když máte soubor těchto qubitů, všechny vyzařují světlo na velmi různých frekvencích.” Pokud pečlivě vyladíme laser na frekvenci jednoho nebo druhého, můžeme je oslovit, i když je nemůžeme prostorově vyřešit, “řekl Thompson. „Každý atom vidí všechno světlo, ale poslouchají pouze frekvenci, na kterou jsou naladěni.“

Světelná frekvence je pak perfektní náhradou za rotaci. Přepínáním rotace nahoru a dolů mohou vědci provádět výpočty. Lze jej přirovnat k tranzistorům, které jsou buď zapnuty nebo vypnuty v klasickém počítači a které vytvářejí nuly a jednotky našeho digitálního světa.

K vytvoření základu užitečného kvantového procesoru musí tyto qubits jít ještě o krok dále.

„Síla interakce souvisí se vzdáleností mezi oběma rotacemi,“ řekl Songtao Chen, postdoktorand v Thompsonově laboratoři a jeden ze dvou hlavních autorů článku. „Chceme to uzavřít, abychom mohli mít tuto vzájemnou interakci a použít tuto interakci k vytvoření kvantové logické brány.“

Kvantová logická brána vyžaduje dva nebo více zapletených qubitů, což znamená, že je schopna provádět jedinečné kvantové operace, jako je výpočet skládacích vzorů proteinů nebo předávání informací v kvantovém internetu.

Thompson, který zastává vedoucí pozici v nové iniciativě kvantové vědy amerického ministerstva energetiky ve výši 115 milionů dolarů, má za úkol dostat tyto qubity pod kontrolu. V divizi materiálů Co-Design Center pro Quantum Advantage stojí v čele divize Qubits pro výpočetní techniku ​​a vytváření sítí.

Jeho systém Erbium, nový typ qubit obzvláště užitečný v síťových aplikacích, může pracovat s využitím stávající telekomunikační infrastruktury a odesílat signály ve formě kódovaného světla přes křemíková zařízení a optická vlákna. Tyto dvě vlastnosti dávají Erbium průmyslovou výhodu oproti dnešním nejmodernějším polovodičovým qubitům, které přenášejí informace na vlnových délkách viditelného světla, které nepracují dobře s komunikačními optickými vlákny.

Aby však bylo možné pracovat v měřítku, je třeba dále rozvíjet systém Erbium.

Zatímco tým může ovládat a měřit stav otáčení svých qubitů bez ohledu na to, jak blízko se dostanou, a může použít optické struktury k vytvoření vysoce věrného měření, stále nemůže podle potřeby uspořádat qubity k vytvoření dvou qubitů -Brány k vytvoření. Aby to bylo možné, musí inženýři najít další materiál k držení atomů erbia. Studie byla navržena s ohledem na toto budoucí zlepšení.

„Jednou z hlavních výhod způsobu, jakým jsme tento experiment provedli, je to, že nemá nic společného s hostitelem, ve kterém je erbium,“ řekl Mouktik Raha, absolvent šestého ročníku elektrotechniky a jeden z dva přední představitelé autorů díla. „Dokud můžeš dát erbium dovnitř a nevířit s ním, je dobré jít.“

Odkaz: „Paralelní měření jednoho obrazu a koherentní řízení otáčení v pevné fázi pod difrakčním limitem“ autorů Songtao Chen, Mouktik Raha, Christopher M. Phenicie, Salim Ourari a Jeff D. Thompson, 30. října 2020, Věda.
DOI: 10.1126 / science.abc7821

K příspěvku přispěli také Christopher M. Phenicie a Salim Ourari, oba doktorandi v oboru elektrotechniky. Práce byla provedena ve spolupráci s Princetonskou kvantovou iniciativou a byla částečně financována Národní vědeckou nadací, Princetonským centrem pro komplexní materiály, programem Young Investigator Office of Air Force Office of Scientific Research a Defence Advanced Research Projects Agency.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Naneste na krém Deep Heat

Podle Experimentální biologie 6. května 2021 Studie odhalila zvýšení aerobního výkonu u sportovců, kteří používali krém s hlubokým teplem bez lékařského předpisu. Hluboké tepelné krémy, které sportovci...

Skladování obnovitelné energie v kamenech místo lithiových baterií

V případě přebytku elektřiny z větru nebo slunce se energetická rezerva nabije. To se děje prostřednictvím systému kompresorů a turbín, které čerpají tepelnou...

Byly vyvinuty ploché nudle, které se při vaření transformují do tvaru

CMU Lab vede vývoj nudlí, které se při vaření transformují do tvaru. Fotografický kredit: Carnegie Mellon University Ploché nudle zajišťují udržitelnější balení, přepravu a...

Houby mohou léčit bakterie a obohatit půdu o živiny

Aeroskulární mykorhizní houby se rozprostírají přes dlouhé vláknité struktury zvané krásně až k zemi. Krásy, menší než lidské vlasy, lze vidět mezi kořeny...

Světlo zapíná barvy a vzory objektů

Nový systém využívá ultrafialové světlo, které se promítá na objekty natřené barvou aktivující světlo, ke změně reflexních vlastností barvy a vytváření obrazů během několika...

Newsletter

Subscribe to stay updated.