Forskere forbinder kvantebits med lyd over rekordafstande

Forskere med Institute for Molecular Engineering ved University of Chicago har gjort to gennembrud i jagten på at udvikle kvante -teknologi. I en undersøgelse, de sammenfiltrede to kvantebit ved hjælp af lyd for første gang; i en anden, de byggede den højeste kvalitet langdistanceforbindelse mellem to qubits til dato. Arbejdet bringer os tættere på at udnytte kvanteteknologi til at lave mere kraftfulde computere, ultrafølsomme sensorer og sikre transmissioner.

"Begge disse er transformerende trin frem til kvantekommunikation, "sagde medforfatter Andrew Cleland, John A. MacLean Sr.Professor i molekylær teknik ved IME og UChicago-tilknyttede Argonne National Laboratory. En leder i udviklingen af ​​superledende kvanteteknologi, han ledede teamet, der byggede den første "kvantemaskine, " demonstrerer kvanteydelse i en mekanisk resonator. "Et af disse eksperimenter viser den præcision og nøjagtighed, vi nu kan opnå, og den anden demonstrerer en grundlæggende ny evne for disse qubits. "

Forskere og ingeniører ser et enormt potentiale i kvanteteknologi, et felt, der bruger de mærkelige egenskaber ved de mindste partikler i naturen til at manipulere og overføre information. For eksempel, under visse betingelser, to partikler kan "vikles sammen" - deres skæbner forbindes, selv når de ikke er fysisk forbundet. Sammenfiltring af partikler giver dig mulighed for at gøre alle slags fede ting, som at overføre information øjeblikkeligt til rummet eller oprette uhackbare netværk.

Men teknologien har en lang vej at gå - bogstaveligt talt:En stor udfordring er at sende kvanteinformation en betydelig afstand, langs kabler eller fibre.

I en undersøgelse offentliggjort 22. april i Naturfysik , Clelands laboratorium var i stand til at bygge et system ud af superledende qubits, der udvekslede kvanteinformation langs et spor næsten en meter langt med ekstremt stærk troskab - med langt højere ydeevne er tidligere blevet påvist.

"Koblingen var så stærk, at vi kan demonstrere et kvantefænomen kaldet 'quantum ping-pong'-sende og derefter fange individuelle fotoner, når de hopper tilbage, "sagde Youpeng Zhong, en kandidatstuderende i Clelands gruppe og den første forfatter til papiret.

Et af forskernes gennembrud var at bygge den rigtige enhed til at sende signalet. Nøglen var at forme pulserne korrekt - i en bueform, som at åbne og lukke en ventil langsomt, til den helt rigtige sats. Denne metode til at 'kvæle' kvanteoplysningerne hjalp dem med at opnå en sådan klarhed, at systemet kunne bestå en guldstandardmåling af kvanteindvikling, kaldet en Bell -test. Dette er det første til superledende qubits, og det kan være nyttigt til opbygning af kvantecomputere såvel som til kvantekommunikation.

Den anden undersøgelse, udgivet 26. april i Videnskab , viser en måde at sammenfiltre to superledende qubits ved hjælp af lyd.

En udfordring for forskere og ingeniører, når de fremmer kvanteteknologi, er at kunne oversætte kvantesignaler fra det ene medium til det andet. For eksempel, mikrobølge lys er perfekt til at transportere kvantesignaler rundt i chips. "Men du kan ikke sende kvanteinformation gennem luften i mikrobølger; signalet bliver bare oversvømmet, "Sagde Cleland.

Teamet byggede et system, der kunne oversætte qubits 'mikrobølgesprog til akustisk lyd og få det til at rejse over chippen - ved hjælp af en modtager i den anden ende, der kunne udføre omvendt oversættelse.

Det krævede noget kreativ ingeniørkunst:"Mikrobølger og akustik er ikke venner, så vi var nødt til at adskille dem på to forskellige materialer og stable dem oven på hinanden, "sagde Audrey Bienfait, en postdoc-forsker og førsteforfatter på undersøgelsen. "Men nu hvor vi har vist, at det er muligt, det åbner nogle interessante nye muligheder for kvantesensorer. "