Fast track -kontrol fremskynder skift af kvantebits

Fra bærbare computere til mobiltelefoner, nutidens teknologi skrider frem gennem den stadigt stigende hastighed, hvormed elektriske ladninger ledes gennem kredsløb. Tilsvarende at fremskynde kontrollen med kvantetilstande i atom- og nanoskala systemer kan føre til spring for det nye felt inden for kvanteteknologi.

Et internationalt samarbejde mellem fysikere ved University of Chicago, Argonne National Laboratory, McGill University, og universitetet i Konstanz demonstrerede for nylig en ny ramme for hurtigere styring af en kvantebit. Først offentliggjort online 28. november, 2016, i Naturfysik , deres eksperimenter på en enkelt elektron i en diamantchip kunne skabe kvanteenheder, der er mindre tilbøjelige til fejl, når de drives ved høje hastigheder.

Fremskyndelse af kvantedynamik

For at forstå deres eksperiment, man kan se til den ultimative indstilling for hastighed i klassisk dynamik:de ovale racerbaner ved Indianapolis eller Daytona 500. For at sætte racerbilerne i stand til at navigere i svingene med fantastiske hastigheder, racerbanens belægning er "banket" med op til 30 grader. En studerende i newtonsk mekanik kunne forklare, at denne indadgående hældning af fortovet tillader den normale kraft, vejen leverer, til at hjælpe med at annullere bilens centrifugalacceleration, eller dens tendens til at glide udad fra svinget. Jo større hastighed, jo større bankvinkel der kræves.

"Dynamikken i kvantepartikler opfører sig analogt, "sagde Aashish Ekspedient, professor i teoretisk fysik ved McGill University. "Selvom bevægelsesligningerne er forskellige, for nøjagtigt at ændre tilstanden for en kvantepartikel ved høje hastigheder, du er nødt til at designe det rigtige spor for at bibringe de rigtige kræfter. "

Ekspedient, sammen med McGill postdoktorer Alexandre Baksic og Hugo Ribeiro, formuleret en ny teknik til at muliggøre hurtigere kvantedynamik ved behændigt at absorbere skadelige accelerationer mærket af kvantepartiklen. Disse accelerationer, medmindre der kompenseres, ville aflede partiklen fra dens påtænkte bane i rummet af kvantetilstande, ligner, hvordan centrifugalaccelerationen afleder racerbilen fra den tiltænkte racerlinje på banen.

Gennem samtaler med medlemmer af hans egen gruppe og ekspedientgruppen, David Awschalom, professor i spintronik og kvanteinformation ved Institute for Molecular Engineering ved University of Chicago, indså, at den nye teori kunne bruges til at fremskynde de diamantbaserede kvanteenheder i hans laboratorier. Imidlertid, ligesom konstruktionen af ​​de banede speedways præsenterede udfordringer inden for anlægsarbejde, eksperimentelt udførelse af kontrolsekvenserne forudset af kontorist og medarbejdere præsenteret dem i kvanteteknik.

Opbygning af den kvante hurtige bane krævede at skinne indviklet, synkroniserede laserpulser på enkelte elektroner fanget ved defekter inde i deres diamantchips. Denne eksperimentelle bedrift blev opnået af hovedforfatter Brian Zhou, arbejder med Christopher Yale, F. Joseph Heremans, og Paul Jerger.

"Vi demonstrerede, at disse nye protokoller kunne vende tilstanden af ​​en kvantebit, fra 'off' til 'on, '300% hurtigere end konventionelle metoder, "sagde Awschalom, også seniorforsker ved Argonne National Laboratory. "Barbering af hvert nanosekund fra driftstiden er afgørende for at reducere virkningen af ​​kvantedekoherens, "forklarede han, henviser til den proces, hvorved kvanteinformation går tabt for miljøet

Professor Guido Burkard og Adrian Auer fra University of Konstanz sluttede sig til Awschalom og Clerk -grupperne for at undersøge dataene fra eksperimenterne. En førende ekspert i diamantbaserede kvantesystemer, Burkard bemærkede, "Det, der er lovende for at oversætte disse teknikker ud over laboratoriet, er, at de er effektive, selvom systemet ikke er perfekt isoleret."

Forskerne forventer, at deres metoder yderligere kan anvendes til hurtig og præcis kontrol over atomers fysiske bevægelse eller overførsel af kvantetilstande mellem forskellige systemer, og formidle fordele for kvanteapplikationer, såsom sikker kommunikation og simulering af komplekse systemer.