En Archimedes -skrue til grupper af kvantepartikler

Enhver, der har forsøgt at føre en gruppe turister gennem en travl by, kender problemet. Hvordan holder du gruppen sammen, når de konstant bliver skubbet, holdt op og distraheret af larmet omkring dem?

Det er et problem, som designere af kvantecomputere skal tackle. I nogle fremtidige kvantecomputere, information vil blive kodet i de sarte kvantetilstande i grupper af partikler. Disse støder på støj og uorden inden i processoren. Nu, et internationalt team har foreslået en ordning, der kan hjælpe med at beskytte grupper af partikler og sætte dem i stand til at bevæge sig sammen uden at gå tabt eller blive holdt op.

Forslaget, udgivet 17. november i Fysisk gennemgangsbreve , kommer fra forskere ved National University of Singapore (NUS), Kretas tekniske universitet, University of Oxford og Google. Deres papir fremlægger en ordning, der pålideligt kan transportere kvantetilstande for et par fotoner langs en række miniaturekvantekredsløb. Simuleringer viser, at den effektivt skal flytte en tre-foton-tilstand fra et kredsløbssted til det næste over snesevis af steder:partiklerne hopper sammen hele vejen igennem og vises til sidst uforstyrret i den anden ende, uden spredning.

Ordningen er baseret på ideerne fra fysikeren David J. Thouless, der vandt halvdelen af ​​Nobelprisen i fysik i 2016 for sit arbejde med topologiske effekter i materialer. Topologiske effekter har at gøre med geometri, og deres anvendelse i kvanteberegning kan hjælpe med at beskytte skrøbelige kvantetilstande under behandling.

Et af Thouless 'store bidrag var opfindelsen af' topologisk pumpning '. Dette virker noget som Archimedes 'skruepumpe til vand. Den antikke græker skruer rundt, men vandet indeni vandrer i en lige linje op ad en bakke. "Selvom maskinens bevægelse er cyklisk, partiklernes bevægelse er ikke, de bevæger sig i en linje, "forklarer Jirawat Tangpanitanon, første forfatter på papiret og en ph.d. -studerende i gruppen af ​​Dimitris Angelakis ved Center for Quantum Technologies (CQT) på NUS.

I kvanteordningen, skruegevindet er ikke en fysisk struktur, men et oscillerende eksternt felt pålagt partiklerne ved elektronisk styring af den enhed, der indeholder dem.

Angelakis startede sin gruppe med at undersøge topologisk pumpning, efter at andre i 2015 demonstrerede effekten for den enkelte, ikke-interagerende, partikler. Angelakis, Tangpanitanon og forsker Victor Bastidas ønskede at finde ud af, om det også ville være muligt at flytte grupper af partikler sammenhængende.

Svaret er ja. Hvad mere er, i modsætning til Archimedes 'pumpe, som kun kan flytte vand en vej, kvantepartiklerne kan endda sendes omvendt ved at ændre de oprindelige betingelser. "Det er som en månegang, "jokes Tangpanitanon. Det ser ud til, at alt skal gå fremad, men i stedet går partiklerne baglæns på grund af kvanteeffekter.

Medforfatter Pedram Roushan - en del af Google -gruppen i Santa Barbara, Californien bygger superledende kredsløb til quantum computing - og teamet håber at se ideen implementeret i lignende hardware. "Dette papir er næsten en blueprint. Vi udviklede forslaget til at matche eksisterende enheder, "siger Angelakis, som er hovedforsker ved CQT og fakultetsmedlem ved Kretas tekniske universitet.