Forskere opdager måde at få kvantetilstande til at vare 10, 000 gange længere

Hvis vi kan udnytte det, kvante -teknologi lover fantastiske nye muligheder. Men først, forskere har brug for at lokke kvantesystemer til at holde åg længere end et par milliontedele af et sekund.

Et team af forskere ved University of Chicago's Pritzker School of Molecular Engineering annoncerede opdagelsen af ​​en simpel ændring, der gør det muligt for kvantesystemer at forblive operationelle - eller "sammenhængende" - 10, 000 gange længere end før. Selvom forskerne testede deres teknik på en bestemt klasse af kvantesystemer kaldet solid-state qubits, de mener, at det burde være anvendeligt på mange andre former for kvantesystemer og dermed kunne revolutionere kvantekommunikation, computing og sensing.

Undersøgelsen blev offentliggjort 13. august i Videnskab .

"Dette gennembrud danner grundlag for spændende nye veje til forskning inden for kvantevidenskab, "sagde studielederforfatter David Awschalom, Familieprofessoren Liew i molekylær teknik, seniorforsker ved Argonne National Laboratory og direktør for Chicago Quantum Exchange. "Den store anvendelighed af denne opdagelse, kombineret med en bemærkelsesværdig enkel implementering, tillader denne robuste sammenhæng at påvirke mange aspekter af kvanteteknik. Det muliggør nye forskningsmuligheder, der tidligere var opfattet som upraktiske. "

Nede på atomeniveauet, Verden fungerer efter kvantemekanikkens regler - meget anderledes end hvad vi ser omkring os i vores daglige liv. Disse forskellige regler kan omsættes til teknologi som praktisk talt ikke -hackbare netværk eller ekstremt kraftfulde computere; det amerikanske energiministerium offentliggjorde en plan for det fremtidige kvanteinternet i en begivenhed i UChicago den 23. juli. Men der er stadig grundlæggende ingeniørmæssige udfordringer:Kvantestater har brug for en ekstrem stille, stabil plads til drift, da de let forstyrres af baggrundsstøj fra vibrationer, temperaturændringer eller vildfarne elektromagnetiske felter.

Dermed, forskere forsøger at finde måder at holde systemet sammenhængende så længe som muligt. En fælles tilgang er fysisk at isolere systemet fra de støjende omgivelser, men dette kan være uhåndterligt og komplekst. En anden teknik indebærer at gøre alle materialer så rene som muligt, som kan være dyrt. Forskerne ved UChicago tog en anden holdning.

"Med denne tilgang, vi forsøger ikke at fjerne støj i omgivelserne; i stedet, vi "narrer" systemet til at tro, at det ikke oplever støjen, "sagde postdoktor Kevin Miao, den første forfatter til papiret.

I takt med de sædvanlige elektromagnetiske pulser, der bruges til at styre kvantesystemer, teamet anvendte et ekstra kontinuerligt skiftevis magnetfelt. Ved præcist at indstille dette felt, videnskabsmændene kunne hurtigt rotere elektronspins og tillade systemet at "tune ud" resten af ​​støjen.

"For at få en fornemmelse af princippet, det er som at sidde på et lysthus med folk, der råber rundt omkring dig, "Forklarede Miao." Når turen stadig er, du kan høre dem perfekt, men hvis du hurtigt snurrer, støjen udviskes i en baggrund. "

Denne lille ændring tillod systemet at forblive sammenhængende i op til 22 millisekunder, fire størrelsesordener højere end uden ændringen - og langt længere end noget tidligere rapporteret elektron -spin -system. (Til sammenligning, et blink med et øje tager cirka 350 millisekunder). Systemet er i stand til næsten helt at indstille nogle former for temperatursvingninger, fysiske vibrationer, og elektromagnetisk støj, som alle normalt ødelægger kvantesammenhæng.

Den enkle løsning kunne låse op for opdagelser inden for stort set alle områder af kvanteteknologi, sagde forskerne.

"Denne tilgang skaber en vej til skalerbarhed, "sagde Awschalom." Det skulle gøre det praktisk at opbevare kvanteinformation i elektronspin. Udvidede lagringstider vil muliggøre mere komplekse operationer i kvantecomputere og tillade kvanteinformation, der transmitteres fra spin-baserede enheder, at rejse længere afstande i netværk. "

Selvom deres test blev kørt i et solid-state kvante system ved hjælp af siliciumcarbid, forskerne mener, at teknikken bør have lignende virkninger i andre typer kvantesystemer, såsom superledende kvantebits og molekylære kvantesystemer. Dette alsidighedsniveau er usædvanligt for et sådant teknisk gennembrud.

"Der er mange kandidater til kvanteteknologi, der blev skubbet til side, fordi de ikke kunne opretholde kvantesammenhæng i lange perioder, "Miao sagde." Disse kunne revurderes nu, hvor vi har denne måde til massivt at forbedre sammenhængen.

"Det bedste er, det er utroligt let at gøre, "tilføjede han." Videnskaben bag det er indviklet, men logistikken med at tilføje et skiftevis magnetfelt er meget ligetil. "