Et nyt spin på atomer giver forskerne et nærmere kig på kvanteunderligheder

Når atomer kommer meget tæt på, de udvikler spændende interaktioner, der kan udnyttes til at skabe nye generationer af computerteknologi og andre teknologier. Disse interaktioner inden for kvantefysikken har vist sig at være svære at studere eksperimentelt på grund af optiske mikroskopers grundlæggende begrænsninger.

Nu er et hold af Princeton-forskere, ledet af Jeff Thompson, en adjunkt i elektroteknik, har udviklet en ny måde at kontrollere og måle atomer, der er så tæt på hinanden, at ingen optisk linse kan skelne dem.

Beskrevet i en artikel offentliggjort 30. oktober i tidsskriftet Videnskab , deres metode exciterer tæt anbragte erbium-atomer i en krystal ved hjælp af en finjusteret laser i et optisk kredsløb i nanometerskala. Forskerne udnytter det faktum, at hvert atom reagerer på lidt forskellige frekvenser, eller farver, af laserlys, giver forskerne mulighed for at opløse og kontrollere flere atomer, uden at stole på deres geografiske information.

I et konventionelt mikroskop, rummet mellem to atomer forsvinder effektivt, når deres adskillelse er under en nøgleafstand kaldet diffraktionsgrænsen, som er nogenlunde lig med lysets bølgelængde. Dette er analogt med to fjerne stjerner, der vises som et enkelt lyspunkt på nattehimlen. Imidlertid, dette er også den skala, hvor atomer begynder at interagere og giver anledning til rig og interessant kvantemekanisk adfærd.

"Vi undrer os altid, på det mest fundamentale niveau - inde i faste stoffer, inde i krystaller - hvad gør atomer egentlig? Hvordan interagerer de?" sagde fysiker Andrei Faraon, en professor ved California Institute of Technology, som ikke var involveret i forskningen. "Dette [papir] åbner vinduet for at studere atomer, der er i meget, meget tæt på."

At studere atomer og deres interaktioner på små afstande giver forskere mulighed for at udforske og kontrollere en kvanteegenskab kendt som spin. Som en form for fremdrift, spin beskrives normalt som enten op eller ned (eller begge, men det er en anden historie). Når afstanden mellem to atomer bliver forsvindende lille - blot milliardtedele af en meter - udøver spindet af det ene indflydelse på det andets spin, og omvendt. Mens spins interagerer i dette rige, de kan blive viklet ind, et udtryk, videnskabsmænd bruger til at beskrive to eller flere partikler, der er uløseligt forbundet. Sammenfiltrede partikler opfører sig som om de deler én eksistens, uanset hvor langt fra hinanden de senere bliver. Entanglement er det væsentlige fænomen, der adskiller kvantemekanikken fra den klassiske verden, og det er i centrum af visionen for kvanteteknologier. Den nye Princeton-enhed er et springbræt for forskere til at studere disse spin-interaktioner med hidtil uset klarhed.

En vigtig egenskab ved den nye Princeton-enhed er dens potentiale til at adressere hundredvis af atomer ad gangen, leverer et rigt kvantelaboratorium til at indsamle empiriske data. Det er en velsignelse for fysikere, der håber at låse op for virkelighedens dybeste mysterier, herunder sammenfiltringens uhyggelige natur.

En sådan undersøgelse er ikke blot esoterisk. I løbet af de sidste tre årtier, ingeniører har søgt at bruge kvantefænomener til at skabe komplekse teknologier til informationsbehandling og kommunikation, fra de logiske byggesten i nye kvantecomputere, i stand til at løse ellers umulige problemer, til ultrasikre kommunikationsmetoder, der kan forbinde maskiner til et uhackbart kvanteinternet. For at udvikle disse systemer yderligere, videnskabsmænd bliver nødt til at sammenfiltre partikler pålideligt og udnytte deres sammenfiltring til at kode og behandle information.

Thompsons hold så en mulighed i erbium. Traditionelt brugt i lasere og magneter, erbium blev ikke udforsket bredt til brug i kvantesystemer, fordi det er svært at observere, ifølge forskerne. Holdet fik et gennembrud i 2018, at udvikle en måde at forbedre lyset udsendt af disse atomer, og at detektere det signal ekstremt effektivt. Nu har de vist, at de kan det hele i massevis.

Når laseren belyser atomerne, det ophidser dem lige nok til, at de udsender et svagt lys med en unik frekvens, men delikat nok til at bevare og aflæse atomernes spins. Disse frekvenser ændrer sig stadig så subtilt i overensstemmelse med atomernes forskellige tilstande, så "op" har en frekvens og "ned" har en anden, og hvert enkelt atom har sit eget frekvenspar.

"Hvis du har et ensemble af disse qubits, de udsender alle lys med meget lidt forskellige frekvenser. Og så ved at indstille laseren omhyggeligt til frekvensen af ​​den ene eller frekvensen af ​​den anden, vi kan tage fat på dem, selvom vi ikke har nogen evne til rumligt at løse dem, " sagde Thompson. "Hvert atom ser alt lyset, men de lytter kun til den frekvens, de er indstillet på."

Lysets frekvens er så en perfekt proxy for spindet. At skifte spins op og ned giver forskerne en måde at foretage beregninger på. Det er beslægtet med transistorer, der enten er tændt eller slukket i en klassisk computer, giver anledning til nullerne og eterne i vores digitale verden.

For at danne grundlag for en nyttig kvanteprocessor, disse qubits skal gå et skridt videre.

"Styrken af ​​interaktionen er relateret til afstanden mellem de to spins, " sagde Songtao Chen, en postdoc-forsker i Thompsons laboratorium og en af ​​papirets to hovedforfattere. "Vi ønsker at gøre dem tætte, så vi kan have denne gensidige interaktion, og brug denne interaktion til at skabe en kvantelogikport."

En kvantelogisk gate kræver to eller flere sammenfiltrede qubits, gør den i stand til at udføre unikke kvanteoperationer, såsom at beregne proteiners foldemønstre eller dirigere information på kvanteinternettet.

Thompson, som har en lederstilling ved det amerikanske energiministeriums nye $115M kvantevidenskabsinitiativ, er på en mission for at bringe disse qubits til hæl. Inden for materialerne i Co-Design Center for Quantum Advantage, han leder sub-qubits til computing og netværk.

Hans erbium system, en ny slags qubit, der er særligt nyttig i netværksapplikationer, kan operere ved hjælp af den eksisterende telekommunikationsinfrastruktur, sende signaler i form af kodet lys over siliciumenheder og optiske fibre. Disse to egenskaber giver erbium en industriel fordel i forhold til nutidens mest avancerede solid-state qubits, som transmitterer information gennem synlige lysbølgelængder, der ikke fungerer godt med optiske fiberkommunikationsnetværk.

Stadig, at operere i skala, erbium-systemet skal videreudvikles.

Mens holdet kan kontrollere og måle spin-tilstanden af ​​dets qubits, uanset hvor tæt de kommer, og bruge optiske strukturer til at producere high-fidelity måling, de kan endnu ikke arrangere qubits efter behov for at danne to-qubit porte. At gøre det, ingeniører bliver nødt til at finde et andet materiale til at være vært for erbium-atomerne. Undersøgelsen blev designet med denne fremtidige forbedring i tankerne.

"En af de største fordele ved den måde, vi har lavet dette eksperiment på, er, at det ikke har noget at gøre med, hvilken vært erbiumet sidder i, " sagde Mouktik Raha, en sjetteårs kandidatstuderende i elektroteknik og en af ​​avisens to hovedforfattere. "Så længe du kan putte erbium i det, og det ikke ryster rundt, du er god til at gå."