Ingeniører sikrer, at kvanteeksperimenter kommer godt i gang

Elektronernes kvantemekaniske egenskaber begynder at åbne døren til en ny klasse sensorer og computere med evner langt ud over, hvad deres modparter baseret i klassisk fysik kan udrette. Kvantetilstande er notorisk svære at læse eller skrive, imidlertid, og for at gøre tingene værre, usikkerhed om disse staters startbetingelser kan gøre forsøg mere besværlige eller endda umulige.

Nu, Penn Engineers har udviklet et system til at nulstille disse startforhold, test dem for at se, om de er korrekte, og starte eksperimentet automatisk, hvis de er, alt i et spørgsmål om mikrosekunder.

Denne nye "initialiseringsprocedure" vil spare kvanteforskere tid og kræfter med at genstarte eksperimenter for statistisk at redegøre for usikre starttilstande, og muliggøre, at der overhovedet køres nye former for målinger, der kræver nøjagtige startforhold.

Lee Bassett, adjunkt i Institut for Elektroteknik og Systemteknik og direktør for Quantum Engineering Laboratory, sammen med laboratoriemedlemmer David Hopper og Joseph Lauigan, ledet en nylig undersøgelse, der demonstrerede denne nye initialiseringsprocedure. Laboratoriemedlem Tzu-Yung Huang bidrog også til undersøgelsen.

Det blev offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgang anvendt .

"Initialisering er en af ​​nøglerne, grundlæggende krav til at udføre næsten enhver form for kvanteinformationsbehandling, "Siger Bassett." Du skal være i stand til deterministisk at indstille din kvantetilstand, før du kan gøre noget nyttigt med det, men den beskidte lille hemmelighed er, at i næsten alle kvantearkitekturer, at initialisering ikke er perfekt. "

"Nogle gange, "Hopper siger, "vi kan acceptere den usikkerhed, og ved at køre en eksperimentel protokol mange tusinde gange, komme med en måling, vi i sidste ende er sikre på. Men der er andre eksperimenter, vi gerne vil lave, hvor denne form for gennemsnitsværdi over flere kørsler ikke virker. "

Den særlige form for usikkerhed, forskerne undersøgte, har at gøre med et almindeligt anvendt kvantesystem kaldet et nitrogen-vacancy (NV) center i diamant. Disse NV -centre er defekter, der naturligt forekommer inden for diamant, hvor det regelmæssige gitter af kulstofatomer lejlighedsvis forstyrres med et nitrogenatom og et ledigt sted ved siden af. Elektroneskyerne i nabostatomer overlapper hinanden i dette tomme rum, at skabe et "fanget molekyle" i diamanten, der kan sonderes med en laser, tillader forskere at måle, eller ændre, elektronernes kvanteegenskab kendt som "spin".

Elektronerne fanget i et NV -center danner en "qubit" - grundenheden for kvanteinformation - der kan bruges til at registrere lokale felter, gemme kvantesuperpositionstilstande, og endda udføre kvanteberegninger.

"Elektroner er fremragende magnetiske sensorer, "Bassett siger, "og de kan endda opdage de bittesmå magnetiske felter, der er forbundet med kulstofkerner, der omgiver defekten. Disse kerner kan selv tjene som qubits og styres ved hjælp af det centrale elektron til at opbygge de sammenfiltrede kvantetilstande, der danner grundlaget for kvantecomputere. De kobler også til fotoner, som bruges til at overføre kvanteinformation over lange afstande. Så NV -centre fusionerer virkelig de tre hovedområder inden for kvantevidenskab:sansning, kommunikation og beregning. "

Så lovende som NV -centre er, forskere må stadig kæmpe med en usikker variabel:antallet af elektroner, der er fanget i NV -centeret, når et eksperiment starter, da elektroner kan hoppe ind og ud af defekten, når den belyses med en laser. En initialiseringsprocedure, der garanterer et forudsigeligt antal elektroner hver gang, ville reducere den tid, det tager at gennemføre et eksperiment, eller aktivere eksperimenter, hvor usikre startforhold ikke statistisk kan korrigeres for efterfølgende.

"NV -midten er som en kasse med en mønt indeni, "Siger Lauigan." Hvis vi kun vil udføre vores eksperiment, når mønten er på hovedet, vi skal ryste kassen, tjek mønten, og gentag, indtil vi finder ud af, at det landede den rigtige vej op. Det er initialiseringsproceduren. "

For at udføre denne initialisering, forskerne brugte et par lasere, fotondetektorer og specialiseret hardware, der kunne håndtere den nødvendige timing.

"Vi skinner en grøn laser i NV -centret, som dybest set 'vender mønten' og blander antallet af elektroner, der er fanget i defekten, "Siger Hopper." Så kommer vi ind med en rød laser, og afhængigt af antallet af elektroner, der er der, defekten vil enten udsende en foton eller forblive mørk. "

"Når vi opdager den foton, der fortæller os, at det rigtige antal elektroner er i defekten, specialiserede kredsløb starter automatisk eksperimentet, "Siger Huang." Alt dette sker på omkring 500 nanosekunder; der er ikke tid til at få signalet analyseret af en normal computer, så det hele skal ske på disse specialiserede chips kaldet feltprogrammerbare gate -arrays. "

Forskerne udnyttede kraften i avanceret klassisk elektronik til bedre at kontrollere et bestemt kvanteføler -system. De viste, at takket være ideelle startforhold, deres enhed kan detektere et lille oscillerende magnetfelt på kun 1,3 nanotlas på et sekund af målinger, som er en følsomhedsrekord for rumtemperatur-kvantesensorer baseret på enkelte NV-centre.

Forskernes initialiseringsprocedure kan også hjælpe med at fremskynde fremskridt med nye kvantearkitekturer til beregning og kommunikation. Diamant består typisk af to stabile isotoper af kulstof, carbon-12 og carbon-13. Førstnævnte er den mest almindelige, men hvert par tiendedele af en nanometer, der er et atom af sidstnævnte. Og fordi carbon-13 har en ekstra neutron, den udviser nuklear spin og kan bruges som en qubit.

Et NV-center kan være et "håndtag" til styring af disse nukleare spin-qubits i en kvantecomputer, men i denne situation bliver evnen til præcist at initialisere sin tilstand afgørende. Fejlene forbundet med dårlig initialisering multipliceres, og det bliver hurtigt umuligt at udføre en kompleks beregning. Den type realtidsmåling og -kontrol, som holdet anvender i dette arbejde, er et stort skridt i retning af at implementere mere sofistikerede fejlkorrigerende protokoller i disse kvanteenheder.

På kort sigt, den forbedrede sansningsevne vil være nyttig til bestemmelse af placeringen af ​​carbon-13 atomer i diamantgitteret.

"At finde alle de særlige kulstofatomer er en besværlig proces, da der er så mange atomer, og hver måling tager meget lang tid, "Siger Hopper." Da vi startede dette projekt, vores mål var at se, hvad der fik disse målinger til at tage så lang tid, og om der var nogen måde at forkorte det på. "