Laser -loop kobler kvantesystemer over en afstand

For første gang, det er lykkedes forskere at skabe en stærk kobling mellem kvantesystemer over en stor afstand. De opnåede dette med en ny metode, hvor en lasersløjfe forbinder systemerne, muliggør næsten tabsfri udveksling af oplysninger og stærk interaktion mellem dem. I journalen Videnskab , fysikere fra University of Basel og University of Hannover rapporterede, at den nye metode åbner nye muligheder for kvantenetværk og kvantesensorteknologi.

Kvanteteknologi er i øjeblikket et af de mest aktive forskningsområder på verdensplan. Det drager fordel af de særlige egenskaber ved kvantemekaniske tilstande af atomer, lys, eller nanostrukturer til udvikling, for eksempel, nye sensorer til medicin og navigation, netværk til informationsbehandling og kraftfulde simulatorer til materialevidenskab. Generering af disse kvantetilstande kræver normalt en stærk interaktion mellem de involverede systemer, såsom mellem flere atomer eller nanostrukturer.

Indtil nu, imidlertid, tilstrækkeligt stærke interaktioner var begrænset til korte afstande. Typisk, to systemer skulle placeres tæt på hinanden på den samme chip ved lave temperaturer eller i det samme vakuumkammer, hvor de interagerer via elektrostatiske eller magnetostatiske kræfter. Kobler dem over større afstande, imidlertid, er påkrævet til mange applikationer, f.eks. kvantenetværk eller visse typer sensorer.

Et team af fysikere, ledet af professor Philipp Treutlein fra Institut for Fysik ved University of Basel og Swiss Nanoscience Institute (SNI), er det nu lykkedes for første gang at skabe en stærk kobling mellem to systemer over en større afstand over et rumtemperaturmiljø. I deres eksperiment, forskerne brugte laserlys til at koble vibrationerne på en 100 nanometer tynd membran til bevægelsen af ​​atomernes spin over en afstand på en meter. Som resultat, hver vibration i membranen sætter atomernes spin i gang og omvendt.

En sløjfe af lys fungerer som en mekanisk fjeder

Eksperimentet er baseret på et koncept, som forskerne udviklede sammen med den teoretiske fysiker professor Klemens Hammerer fra University of Hannover. Det indebærer at sende en laserstråle frem og tilbage mellem systemerne. "Lyset opfører sig derefter som en mekanisk fjeder strakt mellem atomerne og membranen, og overfører kræfter mellem de to, "forklarer Dr. Thomas Karg, der gennemførte eksperimenterne som en del af sit doktorafhandling ved universitetet i Basel. I denne lasersløjfe, lysets egenskaber kan kontrolleres, så ingen information om de to systemers bevægelse går tabt for miljøet, og dermed sikre, at den kvantemekaniske interaktion ikke forstyrres.

Det er nu lykkedes forskerne at implementere dette koncept eksperimentelt for første gang og brugt det i en række forsøg. "Koblingen af ​​kvantesystemer med lys er meget fleksibel og alsidig, "forklarer Treutlein." Vi kan styre laserstrålen mellem systemerne, som giver os mulighed for at generere forskellige former for interaktioner, der er nyttige til kvantesensorer, for eksempel."

Et nyt værktøj til kvanteteknologier

Ud over at koble atomer med nanomekaniske membraner, den nye metode kan også bruges i flere andre systemer; for eksempel, ved kobling af superledende kvantebits eller solid-state spin-systemer, der bruges i kvantecomputing-forskning. Den nye teknik til lysformidlet kobling kunne bruges til at forbinde sådanne systemer, oprette kvante netværk til informationsbehandling og simuleringer. Treutlein er overbevist:"Dette er en ny, yderst nyttigt værktøj til vores kvanteteknologiske værktøjskasse. "