Ind i kvanteverdenen med en tennisracket

Kvanteteknologi ses som en vigtig fremtidsorienteret teknologi:mindre, hurtigere og med højere ydelse end konventionel elektronik. Imidlertid, det er svært at udnytte kvanteeffekter, fordi naturens mindste byggesten har egenskaber, der adskiller sig meget fra dem, vi kender fra vores hverdag. Det er nu lykkedes et internationalt forskerteam at udtrække en fejltolerant manipulation af kvanter fra en effekt af klassisk mekanik.

Bevægelsen af ​​en tennisracket i luften kan hjælpe med at forudsige opførelsen af ​​quanta. "Brug af en analogi fra klassisk fysik hjælper os med mere effektivt at designe og illustrere kontrolelementer for fænomener i kvanteverdenen, "rapporterer Stefan Glaser, professor i Institut for Kemi ved Tekniske Universitet i München (TUM).

"At kontrollere kvantas egenskaber og bruge dem i tekniske processer har hidtil vist sig vanskeligt, fordi kvanterne overholder deres egne love, som ofte overgår vores fantasi, "forklarer videnskabsmanden." Mulige applikationer såsom sikre netværk, meget følsomt måleudstyr og ultrahurtige kvantecomputere er således stadig i deres vorden. "

Quanta under kontrol

"Udnyttelse af kvanteeffekter på en teknisk måde ved at påvirke partiklers adfærd gennem elektromagnetiske felter krævede de hurtigst mulige metoder til at udvikle fejltolerante kontrolsekvenser, "siger Glaser." Til dato, de fleste af metoderne bygger på meget komplicerede beregningsprocesser. "

Sammen med et internationalt team af fysikere, kemikere og matematikere, forskeren har nu opdaget en uventet, lovende og ny tilgang:Brug af tennisketcher -effekten, et velkendt fænomen i klassisk mekanik, den konsekvente ændring i kvantespinnet via elektromagnetiske kontrolkommandoer kan visualiseres.

Tennisracket i bevægelse

Tennisracket -effekten beskriver, hvad der sker, når man kaster en tennisracket op i luften, mens man giver en rotation om en akse. Når man drejer ketsjeren om sin tværakse, vises en overraskende effekt:Ud over den påtænkte 360-graders rotation omkring dens tværakse, ketsjeren vil næsten altid udføre en uventet 180-graders vending om sin længdeakse. Når ketcher er fanget, den indledende underside vender opad.

"Ansvarlig for denne effekt er bittesmå afvigelser og forstyrrelser under kastet og de forskellige inertimomenter langs de tre akser i en asymmetrisk krop. Effekten kan også observeres ved at kaste en bog eller mobiltelefon i luften - for godt mål over en blødt sengetøj - i stedet for en tennisracket, "belyser Glaser. De længste og korteste akser er stabile. Dog er mellemaksen, i tilfælde af en tennisracket, den tværgående akse, er ustabil, og endda minimale omrøring udløser pålideligt en yderligere 180-graders rotation.

Quanta i bevægelse

Quanta har også vinkelmoment, kendt som spin. Dette kan påvirkes ved at anvende et elektromagnetisk felt. "Formålet med denne kvanteteknik er at ændre orienteringen af ​​spin på en målrettet måde, derved minimere fejl forårsaget af små forstyrrelser, "siger Glaser.

"Den opdagede matematiske analogi mellem de geometriske egenskaber ved klassisk fysik vedrørende frit roterende objekter og styring af kvantefænomener kan nu bruges til at optimere den elektromagnetiske kontrol af kvantetilstande, "opsummerer medforfatter prof. Dominique Sugny. Samt ved det franske universitet i Bourgogne arbejder forskerne som Hans Fischer-stipendiat ved Institute for Advanced Study på TUM.

Ny, robuste modeller

Ved hjælp af målinger af atomspinnet, holdet kunne eksperimentelt demonstrere, at tennisracket -effekten virkelig forbedrer robustheden af ​​spredningsforløb. De har nu offentliggjort deres resultater i tidsskriftet " Videnskabelige rapporter . "

"Baseret på disse forskningsresultater, vi kan nu udvikle mere effektive matematiske modeller, der gør det muligt at undgå fejl ved styring af kvanteprocessorer, "tilføjer Glaser." Bygger på det velforståede fænomen fra klassisk fysik, vi kan ikke kun visualisere udviklingen af ​​pålidelige kontrolsekvenser inden for kvanteteknologi, men også fremskynde dem betydeligt. "