Forskere får ny synlighed i overførsel af kvanteoplysninger

Når vi taler om "informationsteknologi, "vi mener generelt teknologidelen, ligesom computere, netværk, og software. Men selve oplysningerne, og dens adfærd i kvantesystemer, er et centralt fokus for MITs tværfaglige Quantum Engineering Group (QEG), da den søger at udvikle quantum computing og andre anvendelser af kvanteteknologi.

Et QEG -team har givet en hidtil uset synlighed i spredningen af ​​information i store kvantemekaniske systemer, via en ny målemetodik og metric beskrevet i en ny artikel i Physics Review Letters. Holdet har kunnet, for første gang, at måle spredningen af ​​korrelationer blandt kvantespins i fluorapatitkrystal, ved hjælp af en tilpasning af rumtemperatur nuklear magnetisk resonans (NMR) teknikker ved stuetemperatur.

Forskere mener i stigende grad, at en klarere forståelse af informationsspredning ikke kun er afgørende for at forstå, hvordan kvanteområdet fungerer, hvor klassiske fysiske love ofte ikke finder anvendelse, men kunne også hjælpe med at konstruere den interne "ledning" af kvantecomputere, sensorer, og andre enheder.

Et centralt kvantefænomen er ikke -klassisk korrelation, eller sammenfiltring, hvor par eller grupper af partikler interagerer således, at deres fysiske egenskaber ikke kan beskrives uafhængigt, også når partiklerne er vidt adskilte.

Dette forhold er centralt for et hurtigt fremskridt inden for fysik, kvanteinformationsteori. Det giver et nyt termodynamisk perspektiv, hvor information og energi er forbundet - med andre ord, at oplysninger er fysiske, og at deling af information på kvantenniveau ligger til grund for den universelle tendens til entropi og termisk ligevægt, kendt i kvantesystemer som termalisering.

QEG -hoved Paola Cappellaro, Esther og Harold E. Edgerton lektor i nuklear videnskab og teknik, medforfatter på det nye papir med fysikstuderende Ken Xuan Wei og mangeårige samarbejdspartner Chandrasekhar Ramanathan fra Dartmouth College.

Cappellaro forklarer, at et primært formål med forskningen var at måle kampen på kvanteniveau mellem to materielle tilstande:termalisering og lokalisering, en tilstand, hvor informationsoverførsel er begrænset, og tendensen til højere entropi på en eller anden måde modstås gennem uorden. QEG-teams arbejde fokuserede på det komplekse problem med lokalisering af mange legemer (MBL), hvor rollen som spin-spin-interaktioner er afgørende.

Evnen til at indsamle disse data eksperimentelt i et laboratorium er et gennembrud, dels fordi simulering af kvantesystemer og lokalisering-termaliseringsovergange er ekstremt vanskelig, selv for nutidens mest kraftfulde computere. "Problemets størrelse bliver meget hurtigt umulig, når du har interaktioner, "siger Cappellaro." Du kan simulere måske 12 spins ved hjælp af brutal kraft, men det er det - langt færre end det eksperimentelle system er i stand til at udforske. "

NMR -teknikker kan afsløre eksistensen af ​​korrelationer mellem spins, som korrelerede spins roterer hurtigere under anvendte magnetfelter end isolerede spins. Imidlertid, traditionelle NMR -eksperimenter kan kun udtrække delvis information om korrelationer. QEG -forskerne kombinerede disse teknikker med deres viden om spindynamikken i deres krystal, hvis geometri omtrent begrænser udviklingen til lineære spin -kæder.

"Denne tilgang gav os mulighed for at finde ud af en metrik, gennemsnitlig korrelationslængde, for hvor mange spins der er forbundet med hinanden i en kæde, "siger Cappellaro." Hvis sammenhængen vokser, det fortæller dig, at interaktion vinder mod den lidelse, der forårsager lokalisering. Hvis korrelationslængden holder op med at vokse, uorden vinder og holder systemet i en mere kvantelokaliseret tilstand. "

Ud over at være i stand til at skelne mellem forskellige typer lokalisering (f.eks. MBL og den enklere Anderson -lokalisering), metoden repræsenterer også et muligt fremskridt i retning af evnen til at kontrollere disse systemer gennem indførelse af uorden, som fremmer lokalisering, Tilføjer Cappellaro. Fordi MBL bevarer oplysninger og forhindrer dem i at blive forstyrret, det har potentiale til hukommelsesapplikationer.

Forskningens fokus "adresserer et meget grundlæggende spørgsmål om grundlaget for termodynamik, spørgsmålet om, hvorfor systemer termikaliserer og endda hvorfor begrebet temperatur overhovedet eksisterer, "siger tidligere MIT postdoc Iman Marvian, som nu er adjunkt i Duke Universitys afdelinger for fysik og el- og computerteknik. "I løbet af de sidste 10 år har der været stigende beviser, fra analytiske argumenter til numeriske simuleringer, at selvom forskellige dele af systemet interagerer med hinanden, i MBL -fasesystemerne ikke termisk. Og det er meget spændende, at vi nu kan observere dette i et egentligt eksperiment. "

"Folk har foreslået forskellige måder at opdage denne fase af stof, men de er svære at måle i et laboratorium, "Marvian forklarer." Paolas gruppe studerede det fra et nyt synspunkt og introducerede mængder, der kan måles. Jeg er virkelig imponeret over, hvordan de har kunnet udtrække nyttige oplysninger om MBL fra disse NMR -eksperimenter. Det er store fremskridt, fordi det gør det muligt at eksperimentere med MBL på en naturlig krystal. "

Forskningen var i stand til at udnytte NMR-relaterede kapaciteter udviklet under et tidligere tilskud fra US Air Force, siger Cappellaro, og nogle ekstra midler fra National Science Foundation. Udsigterne for dette forskningsområde er lovende, tilføjer hun. "I lang tid, mest kvanteforskning i mange legemer var fokuseret på ligevægtsegenskaber. Nu, fordi vi kan lave mange flere eksperimenter og gerne vil konstruere kvantesystemer, der er meget mere interesse for dynamik, og nye programmer afsat til dette generelle område. Så forhåbentlig kan vi få mere finansiering og fortsætte arbejdet. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.