Lydbølger lader kvantesystemer tale med hinanden

Forskere ved University of Chicago og Argonne National Laboratory har opfundet en innovativ måde, hvorpå forskellige typer kvanteteknologi kan "tale" med hinanden ved hjælp af lyd. Studiet, udgivet 11. februar i Naturfysik , er et vigtigt skridt i at bringe kvanteteknologi tættere på virkeligheden.

Forskere kigger på kvantesystemer, som bruger de mindste partiklers sære adfærd som nøglen til en fundamentalt ny generation af elektronik på atomare skala til beregning og kommunikation. Men en vedvarende udfordring har været at overføre information mellem forskellige typer teknologi, såsom kvantehukommelser og kvanteprocessorer.

"Vi nærmede os dette spørgsmål ved at spørge:Kan vi manipulere og forbinde kvantetilstande af stof med lydbølger?" sagde seniorstudieforfatter David Awschalom, Liew Family Professor ved Institute for Molecular Engineering og seniorforsker ved Argonne National Laboratory.

En måde at køre en kvanteberegning på er at bruge "spin" - en egenskab ved en elektron, der kan være opad, ned eller begge dele. Forskere kan bruge disse som nuller og etaller i nutidens binære computerprogrammeringssprog. Men at få disse oplysninger andre steder kræver en oversætter, og videnskabsmænd troede, at lydbølger kunne hjælpe.

"Formålet er at koble lydbølgerne med elektronernes spins i materialet, " sagde kandidatstuderende Samuel Whiteley, co-første forfatter på papiret. "Men den første udfordring er at få spins til at være opmærksomme." Så de byggede et system med buede elektroder til at koncentrere lydbølgerne, som at bruge en forstørrelseslinse til at fokusere et lyspunkt.

Resultaterne var lovende, men de havde brug for flere data. For at få et bedre overblik over, hvad der skete, de arbejdede sammen med forskere ved Center for Nanoscale Materials i Argonne for at observere systemet i realtid. I det væsentlige, de brugte ekstremt lyse, kraftige røntgenstråler fra laboratoriets gigantiske synkrotron, den avancerede fotonkilde, som et mikroskop til at kigge på atomerne inde i materialet, mens lydbølgerne bevægede sig igennem det ved næsten 7, 000 kilometer i sekundet.

"Denne nye metode giver os mulighed for at observere atomernes dynamik og struktur i kvantematerialer på ekstremt små længdeskalaer, " sagde Awschalom. "Dette er et af kun få steder på verdensplan med instrumentering til direkte at se atomer bevæge sig i et gitter, når lydbølger passerer gennem dem."

Et af de mange overraskende resultater, sagde forskerne, var, at lydbølgernes kvanteeffekter var mere komplicerede, end de først havde forestillet sig. At opbygge en omfattende teori bag det, de observerede på det subatomare niveau, de henvendte sig til prof. Giulia Galli, Liew familieprofessor ved IME og seniorforsker ved Argonne. Modellering af systemet involverer at samle vekselvirkningerne mellem hver enkelt partikel i systemet, som vokser eksponentielt, Awschalom sagde, "men professor Galli er en verdensekspert i at tage denne form for udfordrende problemstilling og fortolke den underliggende fysik, hvilket gjorde det muligt for os at forbedre systemet yderligere."

Det er normalt svært at sende kvanteinformation for mere end et par mikrometer, sagde Whiteley - det er bredden af ​​en enkelt streng edderkoppesilke. Denne teknik kan udvide kontrollen over en hel chip eller wafer.

"Resultaterne gav os nye måder at kontrollere vores systemer på, og åbner steder for forskning og teknologiske anvendelser såsom kvantesansning, " sagde postdoc-forsker Gary Wolfowicz, den anden medførsteforfatter af undersøgelsen.

Opdagelsen er en anden fra University of Chicagos verdensledende program inden for kvanteinformationsvidenskab og teknik; Awschalom leder i øjeblikket et projekt for at bygge et kvante-"teleportation"-netværk mellem Argonne og Fermi National Accelerator Laboratory for at teste principper for et potentielt uhackbart kommunikationssystem.