At sætte kvanteforskere på førersædet

Forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory udfører grundlæggende fysikforskning, der vil føre til mere kontrol over kviksølvkvante systemer og materialer. Deres undersøgelser vil muliggøre fremskridt inden for kvanteberegning, fornemmelse, simulering, og materialeudvikling.

Forskernes eksperimentelle resultater blev for nylig offentliggjort i Fysisk gennemgang B Hurtig kommunikation og Optik bogstaver .

Kvantoplysninger betragtes som skrøbelige, fordi de kan gå tabt, når systemet, hvori de er kodet, interagerer med sit miljø, en proces kaldet spredning. Forskere med ORNLs computer- og computingsvidenskaber og fysiske videnskabsdirektorater og Vanderbilt University har samarbejdet om at udvikle metoder, der hjælper dem med at kontrollere - eller drive - de "utætte, "dissipativ adfærd, der er iboende i kvantesystemer.

"Vores mål er at udvikle eksperimentelle platforme, der giver os mulighed for at undersøge og kontrollere kvantesammenhængende dynamik i materialer, "sagde Benjamin Lawrie, en forsker i Quantum Sensing Team i ORNL's Quantum Information Science Group. "At gøre det, du skal ofte være i stand til at forstå, hvad der foregår på nanoskalaen. "

At bringe perspektiver fra kvanteinformationsvidenskab, nanovidenskab og elektronmikroskopi, forskerne udnytter eksisterende viden om stof og fysikken i lys og lyd til at undersøge nanostrukturenes kvante karakter-strukturer, der måler omkring en milliarddel af en meter.

Et projekt fokuserede på at drive defekter i nitrogentomrum i nanodiamanter med plasmoner. De naturligt forekommende defekter skabes, når der dannes et nitrogenatom i stedet for det typiske carbonatom, ved siden af ​​en atomløs ledig stilling. Defekterne undersøges til brug i test af sammenfiltring, en tilstand, der tillader, at væsentligt mere information kodes i et kvantesystem, end der kan opnås med klassisk computing.

Elektroner genererer et elektrisk felt. Når en elektronstråle påføres et materiale, materialets elektroner er ansporet til bevægelse - en tilstand kaldet excitation - skaber et magnetfelt, der derefter kan detekteres som lys. Arbejde med plasmoner, elektron excitationer, der let forbindes med lys, giver forskere mulighed for at undersøge elektromagnetiske felter på nanoskalaen.

Matthew Feldman, en kandidatstuderende ved Vanderbilt University, der driver doktorgradsforskning ved ORNL gennem National Defense Science and Engineering Graduate Fellowship -programmet og medlem af Quantum Sensing Team, brugte en højenergi-elektronstråle til at ophidse nitrogentomrum i diamant-nanopartikler, får dem til at udsende lys. Derefter brugte han et katodoluminescensmikroskop ejet af ORNL's Materials Science and Technology Division, som måler den synlige spektrum luminescens i bestrålede materialer, at indsamle de udsendte fotoner og karakterisere højhastighedsinteraktioner mellem nitrogentomrum, plasmoner og vibrationer i nanodiamonden.

I anden forskning, Jordan Hachtel, en postdoktor ved ORNL's Center for Nanophase Materials Sciences, brugte katodoluminescensmikroskopet til at ophidse plasmoner i guld -nanospiraler. Han undersøgte, hvordan spiralernes geometri kunne udnyttes til at fokusere energi i nanoskala systemer. Andy Lupini tjente projektet som mikroskopikonsulent, levere ekspertise vedrørende udstyrsoptimering og fejlfinding.

Præcis kontrol over nanoskalaenergioverførsel er påkrævet for at muliggøre langvarig sammenfiltring i en model udforsket af Eugene Dumitrescu, forsker i ORNL's Quantum Information Science Group. Dumitrescus forskning, offentliggjort i Physical Review A i slutningen af ​​2017, viste, at fotonstatistikkerne, Feldman indsamlede, kunne bruges i beregninger til at vise sammenfiltring.

"Dette arbejde fremmer vores viden om, hvordan man styrer lys-stof-interaktioner, at levere eksperimentelt bevis på et fænomen, der tidligere var blevet beskrevet ved simuleringer, "Sagde Lawrie.

Lukkede systemer, hvor kvanteinformation kan holdes væk fra sine omgivelser, teoretisk set kan forhindre spredning, men virkelige kvantesystemer er åbne for mange påvirkninger, der resulterer i informationslækage.

"Elefanten i rummet i diskussioner om kvantesystemer er dekoherens, "Sagde Feldman." Hvis vi kan modellere et miljø for at påvirke, hvordan et kvantesystem fungerer, vi kan muliggøre sammenfiltring. "

Dumitrescu var enig. "Vi ved, at kvantesystemer vil være utætte. Et middel er at drive dem, "sagde han." De drivmekanismer, vi undersøger, afbryder virkningerne af spredning. "

Dumitrescu brugte analogien med et musikinstrument til at forklare forskernes forsøg på at kontrollere kvantesystemer. "Hvis du tager en violinstreng, du får lyden, men det begynder at forsvinde gennem miljøet, luften, "sagde han." Men hvis du langsomt trækker buen hen over snoren, du får en mere stabil, længerevarende lyd. Du har bragt kontrol over systemet. "

Feldman synes, at dette er fascinerende tider for kvantefysikere, fordi kvanteberegningsområdet er i samme fase, klassisk computing var i midten af ​​det 20. århundrede. "Det, der begejstrer mig mest, er, hvordan aktuel forskning kan ændre vores forståelse af kvantesystemer og materialer, " han sagde.