Tværfaglige UA -forskere blander sig i kvantecomputing

Gode ​​naboer deler ofte ressourcer:en kop sukker, ekstra græsplænestole, et sæt jumperkabler. Forskere på tværs af campus ved University of Arizona vil snart kunne dele en mindre almindelig - og langt mere værdifuld - ressource for at hjælpe dem med at fremme deres forskning:sammenfiltrede fotoner, eller sammenkoblede par lyspartikler.

Med cirka $ 1,4 millioner i finansiering - $ 999, 999 fra National Science Foundation og omkring $ 400, 000 fra UA - professor Zheshen Zhang leder konstruktionen af ​​det tværfaglige Quantum Information Research and Engineering -instrument, kendt som Spørg, i UA. Inquire er verdens første fælles forsknings- og uddannelsesinstrument til at hjælpe forskere inden for forskellige områder - herunder dem uden ekspertise inden for kvanteinformationsvidenskab - ved at drage fordel af kvanteressourcer.

Zhang er adjunkt i materialevidenskab og teknik og optiske videnskaber, og leder af Quantum Information and Materials Group i UA. Medforskere af Inquire-projektet inkluderer Ivan Djordjevic, professor i el- og computerteknik og optiske videnskaber; Jennifer Barton, direktør for BIO5 Institute og professor i biomedicinsk teknik, biosystemteknik, el- og computerteknik, og optiske videnskaber; Nasser Peyghambarian, professor i optiske videnskaber; og Marek Romanowski, lektor i biomedicinsk teknik, og materialevidenskab og teknik.

Et netværk af fiberoptiske kabler forbinder et automatiseret kvanteinformationshub i kælderen i bygningen Elektrisk og Computer Engineering til fire andre bygninger på campus:Biosciences Research Labs, Miner og metallurgi, Fysik og atmosfæriske videnskaber, og Meinel Optical Sciences.

"En af UA's glæder er at samarbejde med topforskere, der arbejder inden for banebrydende felter, "Sagde Barton." Det virker som science fiction, men Zheshen bygger en facilitet, der vil skabe kvanteindviklede fotoner, derefter levere dem via fiberoptik halvvejs på tværs af campus, lige ind i Translational Bioimaging Resource i bygningen Biosciences Research Labs. "

"Dette er et spændende projekt, der perfekt repræsenterer nogle af de centrale temaer, der ligger til grund for vores strategiske plan, "sagde UA's præsident Robert C. Robbins." At være leder i den fjerde industrielle revolution, vi skal udnytte samarbejdet, holde sig foran teknologikurven og give et kraftfuldt miljø, hvor forskere har de værktøjer, de har brug for til at løse verdens store udfordringer. Jeg glæder mig til at se de nye muligheder, denne facilitet bringer, når den er afsluttet. "

Byggeriet på projektet er allerede begyndt. Den forventede færdiggørelsesdato er september 2021.

Se individuelle fotoner

Ligesom et atom er den mindste enhed af stof, en foton er den mindste lysenhed. Så, mens vi kan se lyset af titusinder af milliarder af fotoner i et rum oplyst af en lampe eller en gårdhave oplyst af solen, det menneskelige øje - og de fleste mikroskoper - kan ikke se individuelle fotoner. Men nogle gange kan denne for små til at se information være vigtig. For eksempel, et biomedicinsk ingeniørlaboratorium foretager muligvis en billeddannelsesundersøgelse af et protein eller et organisk molekyle, der udsender et signal, der er for svagt til at traditionelle kameraer kan se.

"Du kan sende dine fotoner til kernefaciliteten, som er udstyret med en række ultralydsfølsomme kameraer, der kan se ting på enkeltfoton -niveau, "Sagde Zhang.

Traditionelt set forskere brugte kraftige lasere til at belyse disse biologiske prøver, som undertiden blev beskadiget i processen. Brug af sammenfiltrede fotoner som en belysningskilde giver højere følsomhed, mindre lysstyrke, og den samme - eller endnu højere - opløsning.

"To sammenfiltrede fotoner kan være en million værd af deres klassiske brødre, muligvis tillader os at forestille os dybere uden at skade væv, "Sagde Barton.

Højpræcisionssondering

Disse fiberoptiske kabler er en tovejs gade. Forskere kan sende deres fotoner ind i den centrale hub for at blive afbildet af de højteknologiske mikroskoper, men centret kan også dele sammenfiltrede fotoner med laboratorier på tværs af campus.

Indviklede fotoner er indbyrdes forbundne par. Selv når de er adskilt af store afstande, alt, hvad der sker med en foton i et sammenfiltret par, vil også blive overført til den anden.

Dette forhold har flere anvendelser. For eksempel, forskere kan bruge fotoner som sonder til at bestemme arten af ​​uidentificerede materialer. De ændringer, et materiale introducerer for en foton, såsom en ændring i farve, give spor til materialets identitet. Når en sammenfiltret foton i et par bruges som sonde, materialet introducerer ændringer af begge fotoner i det sammenfiltrede par.

"Nu kan du udføre en måling på begge fotoner for at lære om prøven, der undersøges, "Sagde Zhang." Du kan have dobbelt så mange oplysninger om den måde, materialet påvirker fotonet på. "

Sikker kommunikation

Indviklede fotoner kan også bruges i kvantekommunikation, en sikker metode til at sende og modtage data, der er designet til at forhindre aflytning. Det fungerer sådan:Før part A deler følsomme oplysninger med part B, Part A sender en "kvantnøgle, "en række sammenfiltrede fotoner, der fungerer som koden til dekryptering af fremtidige transmissioner. Kvantetaster er designet, så selve dekrypteringen eller læsningen af ​​deres indhold ændrer deres indhold.

Hvis kvantnøglen ankommer med dele, der er dekrypteret, de kommunikerende parter ved ikke at bruge den del af nøglen til at kryptere fremtidige transmissioner, fordi den er blevet "læst" af hackere. De kommunikerende parter kan simpelthen afskære den del af nøglen og bruge en ny, kortere kvantnøgle de ved er sikker.

Part A og part B i ovenstående eksempel behøver ikke at være kvanteinformationsforskere. Forskere på tværs af alle former for discipliner kan drage fordel af de unikke egenskaber ved sammenfiltrede fotoner, og Inquires mål er at give mulighed for netop det.

"Dette er et centralt område, som National Science Foundation identificerer som en af ​​sine 10 store ideer og virkelig ønsker at skubbe fremad, fordi det er så tværfagligt, "Sagde Zhang." Det involverer forskere på tværs af videnskabens grænser, ingeniørarbejde, computer videnskab, fysik, kemi, matematik, optik - overalt. Det centrale spørgsmål er 'Hvordan kan alle tale det samme sprog, og hvordan kan de drage fordel af de fremskridt, der er gjort på andre områder? '"