11:12
Более пристальный взгляд на квантовую странность через новый способ управления и измерения атомов

Когда атомы становятся чрезвычайно близки, они развивают интригующие взаимодействия, которые могут быть использованы для создания новых поколений вычислительных и других технологий. Эти взаимодействия в области квантовой физики оказались трудными для экспериментального изучения из-за основных ограничений оптических микроскопов.

Теперь команда исследователей из Принстона, возглавляемая Джеффом Томпсоном, ассистентом профессора электротехники, разработала новый способ контроля и измерения атомов, которые находятся так близко друг к другу, что никакая оптическая линза не может их различить.

Описанный в статье, опубликованной 30 октября 2020 года в журнале Science, их метод возбуждает близко расположенные атомы эрбия в кристалле с помощью тонко настроенного лазера в нанометровой оптической схеме. Исследователи используют тот факт, что каждый атом реагирует на несколько разные частоты или цвета лазерного излучения, что позволяет исследователям разрешать и контролировать несколько атомов, не полагаясь на их пространственную информацию.

В обычном микроскопе пространство между двумя атомами эффективно исчезает, когда их разделение находится ниже ключевого расстояния, называемого дифракционным пределом, который примерно равен длине волны света. Это аналогично двум далеким звездам, которые появляются как одна точка света в ночном небе. Однако это также масштаб, в котором атомы начинают взаимодействовать и порождают богатое и интересное квантово-механическое поведение.

“Мы всегда задаемся вопросом, на самом фундаментальном уровне - внутри твердых тел, внутри кристаллов - что на самом деле делают атомы? Как они взаимодействуют?- сказал физик Андрей Фараон, профессор Калифорнийского технологического института, который не принимал участия в исследованиях. "Эта [статья] открывает окно для изучения атомов, находящихся в очень, очень близком соседстве.”

Изучение атомов и их взаимодействий на малых расстояниях позволяет ученым исследовать и контролировать квантовое свойство, известное как спин. Как форма импульса, спин обычно описывается как Движение вверх или вниз (или и то, и другое, но это уже другая история). Когда расстояние между двумя атомами становится исчезающе малым — всего лишь миллиардные доли метра, — спин одного атома оказывает влияние на спин другого, и наоборот. Поскольку спины взаимодействуют в этой области, они могут запутываться, термин, который ученые используют для описания двух или более частиц, которые неразрывно связаны. Запутанные частицы ведут себя так, как будто они разделяют одно существование, независимо от того, насколько далеко друг от друга они впоследствии окажутся. Запутанность-это существенный феномен, который отделяет квантовую механику от классического мира, и он находится в центре видения квантовых технологий. Новое Принстонское устройство-это ступенька для ученых, чтобы изучить эти спиновые взаимодействия с беспрецедентной ясностью.

Одной из важных особенностей нового Принстонского устройства является его способность обращаться к сотням атомов одновременно, обеспечивая богатую квантовую лабораторию для сбора эмпирических данных. Это благо для физиков, которые надеются раскрыть самые глубокие тайны реальности, включая жуткую природу запутанности.

Такое исследование не является просто эзотерическим. В течение последних трех десятилетий инженеры стремились использовать квантовые явления для создания сложных технологий обработки информации и коммуникации, от логических строительных блоков новых квантовых компьютеров, способных решать в противном случае невозможные задачи, до сверхзащищенных методов связи, которые могут связать машины в не поддающийся взлому квантовый интернет. Для дальнейшего развития этих систем ученым потребуется надежно запутывать частицы и использовать их запутанность для кодирования и обработки информации.

Команда Томпсона увидела возможность в эрбии. Традиционно используемый в лазерах и магнитах, эрбий не был широко исследован для использования в квантовых системах, потому что его трудно наблюдать, по мнению исследователей. Команда сделала прорыв в 2018 году, разработав способ усиления света, испускаемого этими атомами, и чрезвычайно эффективно обнаруживать этот сигнал. Теперь они показали, что могут делать все это в массовом порядке.

Когда лазер освещает атомы, он возбуждает их ровно настолько, чтобы они испускали слабый свет с уникальной частотой, но достаточно деликатно, чтобы сохранить и прочитать спины атомов. Эти частоты меняются очень тонко в зависимости от различных состояний атомов, так что “вверх” имеет одну частоту, а “вниз” - другую, и каждый отдельный атом имеет свою собственную пару частот.

“Если у вас есть ансамбль этих кубитов, то все они излучают свет на очень незначительно отличающихся частотах. И поэтому, тщательно настраивая лазер на частоту одного или частоту другого, мы можем обращаться к ним, даже если у нас нет возможности пространственно разрешить их”, - сказал Томпсон. - Каждый атом видит весь свет, но слушает только ту частоту, на которую настроен.”

Таким образом, частота света является идеальным посредником для вращения. Переключение вращений вверх и вниз дает исследователям возможность производить вычисления. Это сродни транзисторам, которые включаются или выключаются в классическом компьютере, порождая нули и единицы нашего цифрового мира.

Чтобы сформировать основу полезного квантового процессора, эти кубиты должны будут пойти еще дальше.

"Сила взаимодействия связана с расстоянием между двумя спинами”, - сказал Сонгтао Чэнь, постдокторский исследователь в лаборатории Томпсона и один из двух ведущих авторов статьи. “Мы хотим сделать их близкими, чтобы мы могли иметь это взаимное взаимодействие, и использовать это взаимодействие для создания квантового логического затвора.”

Квантовый логический элемент требует двух или более запутанных кубитов, что делает его способным выполнять уникальные квантовые операции, такие как вычисление паттернов свертывания белков или маршрутизация информации в квантовом интернете.

Томпсон, который занимает руководящую должность в новой инициативе Министерства энергетики США по квантовой науке стоимостью 115 миллионов долларов, выполняет миссию по приведению этих кубитов в соответствие. В области материалов центра совместного проектирования Quantum Advantage он возглавляет секции по кубитам для вычислений и сетей.

Его эрбиевая система, новый вид кубита, который особенно полезен в сетевых приложениях, может работать с использованием существующей телекоммуникационной инфраструктуры, посылая сигналы в виде кодированного света по кремниевым устройствам и оптическим волокнам. Эти два свойства дают эрбию промышленный перевес над самыми современными твердотельными кубитами, которые передают информацию через волны видимого света, которые плохо работают с волоконно-оптическими сетями связи.

Тем не менее, чтобы работать в масштабе, эрбиевая система должна быть дополнительно спроектирована.

Хотя команда может контролировать и измерять спиновое состояние своих кубитов независимо от того, насколько близко они находятся, и использовать оптические структуры для получения высокоточных измерений, они все еще не могут организовать кубиты так, как это необходимо для формирования двухкубитных ворот. Для этого инженерам нужно будет найти другой материал для размещения атомов эрбия. Исследование было разработано с учетом этого будущего улучшения.

“Одно из главных преимуществ того, как мы провели этот эксперимент, заключается в том, что он не имеет ничего общего с тем, в каком носителе находится эрбий”,-сказал Муктик Раха, аспирант шестого курса по электротехнике и один из двух ведущих авторов статьи. “Пока вы можете поместить в него эрбий и он не дрожит, вы можете идти.”

Похожие материалы:

Так же рекомендуем посмотреть:

Израильские археологи раскопали 9000-летний Мегаполис


Фомальгаута б не существует, говорят астроном


Астероид Бенну Несет Органические Материалы, Совместимые С Ингредиентами Для Жизни

Категория: Космос / Планеты / Технологии | Просмотров: 118 | Добавил: admin | Теги: изучение атомов, квантовый интернет, спин, Кубит, Более пристальный взгляд на квантов, взаимодействие, атом, эрбий, частота | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
avatar