Har du brug for sammenfiltrede atomer? Få dem HURTIG! Med NISTs nye patentanmeldte metode

Fysikere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har fundet på en måde at forbinde en gruppe af atomers kvantemekaniske egenskaber indbyrdes langt hurtigere, end det er muligt i øjeblikket, potentielt leverer et værktøj til meget præcis sansning og kvantecomputerapplikationer. NIST har søgt patent på metoden, som er detaljeret i et nyt papir i Fysisk gennemgangsbreve .

Metoden, som endnu ikke er blevet demonstreret eksperimentelt, i det væsentlige ville fremskynde processen med kvanteindvikling, hvor egenskaberne af flere partikler bliver forbundet med hinanden. Sammenfiltring ville forplante sig gennem en gruppe atomer på dramatisk kortere tid, giver videnskabsfolk mulighed for at bygge et sammenfiltret system eksponentielt hurtigere, end det er almindeligt i dag.

Arrays af sammenfiltrede atomer suspenderet i laserlysstråler, kendt som optiske gitter, er en tilgang til at skabe logiske centre for prototype kvantecomputere, men en sammenfiltret tilstand er vanskelig at opretholde mere end kort. Anvendelse af metoden til disse arrays kan give forskere dyrebar tid til at gøre mere med disse atomer, før sammenfiltring går tabt i en proces kendt som dekoherens.

Metoden drager fordel af et fysisk forhold mellem atomerne kaldet dipolær interaktion, som gør det muligt for atomer at påvirke hinanden over større afstande end tidligere muligt. Forskerholdets Alexey Gorshkov sammenligner det med at dele tennisbolde blandt en gruppe mennesker. Mens tidligere metoder hovedsageligt tillod folk at passere tennisbolde kun til en person, der stod ved siden af ​​dem, den nye tilgang ville give en person mulighed for at kaste dem til mennesker på tværs af rummet.

"Det er disse langdistance-dipolære interaktioner i 3D, der gør dig i stand til at skabe sammenfiltring meget hurtigere end i systemer med kortdistanceinteraktioner, "sagde Gorshkov, en teoretisk fysiker ved NIST og ved både Joint Center for Quantum Information and Computer Science og Joint Quantum Institute, som er samarbejde mellem NIST og University of Maryland. "Naturligvis, hvis du kan smide ting direkte mod folk, der er langt væk, du kan sprede objekterne hurtigere."

Anvendelse af teknikken ville centrere sig omkring justering af timingen af ​​laserlysimpulser, tænde og slukke laserne, især mønstre og rytmer for hurtigt at ændre de suspenderede atomer til et sammenhængende sammenfiltret system.

Fremgangsmåden kunne også finde anvendelse i sensorer, som kan udnytte sammenfiltring for at opnå langt større følsomhed end klassiske systemer kan. Mens entanglement-forstærket kvantesansning er et ungt felt, det muliggør scanning af små objekter i høj opløsning, såsom at skelne mellem små temperaturforskelle mellem dele af en individuel levende celle eller udføre magnetisk billeddannelse af dens indre.

Gorshkov sagde, at metoden bygger på to undersøgelser fra 1990'erne, hvor forskellige NIST -forskere overvejede muligheden for at bruge et stort antal små objekter - f.eks. En gruppe atom - som sensorer. Atomer kan måle egenskaberne af et nærliggende magnetfelt, for eksempel, fordi feltet ville ændre deres elektroners energiniveauer. Disse tidligere bestræbelser viste, at usikkerheden i disse målinger med fordel ville være lavere, hvis atomerne alle blev viklet ind, snarere end blot en flok uafhængige objekter, der tilfældigvis var i nærheden af ​​hinanden.

"Usikkerhed er nøglen her, " sagde Gorshkov. "Du vil have den usikkerhed så lav som muligt. Hvis atomerne er viklet ind, du har mindre usikkerhed om magnetfeltets størrelse. "

At få atomerne hurtigere i en sammenfiltret tilstand ville være en potentiel fordel i enhver praktisk anvendelse, ikke mindst fordi sammenfiltring kan være flygtig.

Når en gruppe atomer er viklet ind, hver enkelts kvantetilstand er bundet sammen med de andre, så hele systemet besidder en enkelt kvantetilstand. Denne forbindelse kan eksistere, selvom atomerne er adskilt og fuldstændigt isoleret fra hinanden (hvilket giver anledning til Einsteins berømte beskrivelse af det som "uhyggelig handling på afstand"), men sammenfiltring er også en ganske skrøbelig tilstand. Vanskeligheden med at opretholde det blandt et stort antal atomer har bremset udviklingen af ​​sammenfiltringsbaserede teknologier såsom kvantecomputere.

"Entangled stater har en tendens til at dekohere og gå tilbage til at være en flok almindelige uafhængige atomer, " sagde Gorshkov. "Folk vidste, hvordan man skaber sammenfiltring, men vi ledte efter en måde at gøre det hurtigere på. "

Hvis metoden kan demonstreres eksperimentelt, det kunne give en kvantecomputers processor ekstra tid, så den kan overgå dekohærens, som truer med at få en beregning til at falde fra hinanden, før qubitsne kan afslutte deres arbejde. Det ville også reducere usikkerheden, hvis den bruges i registreringsapplikationer.

"Vi mener, at dette er en praktisk måde at øge hastigheden af ​​sammenfiltring, "Sagde Gorshkov." Det var fedt nok til at patentere, så vi håber, at det viser sig kommercielt nyttigt for nogen. "