Klassisk magisk trick kan muliggøre quantum computing

Quantum computing kan løse problemer, der er vanskelige for traditionelle edb -systemer. Det kan virke som magi. Et skridt i retning af at opnå kvanteberegning ligner endda et tryllekunstnerens trick:levitation. Et nyt projekt ved US Department of Energy's Thomas Jefferson National Accelerator Facility vil forsøge dette trick ved at svæve en mikroskopisk partikel i et superledende radiofrekvens (SRF) hulrum for at observere kvantefænomener.

Typisk på Jefferson Lab og andre partikelacceleratorfaciliteter, SRF -hulrum muliggør undersøgelser af atomets kerne. De gør dette ved at accelerere subatomære partikler, såsom elektroner. Dette projekt vil bruge den samme type hulrum til i stedet at svæve en mikroskopisk metalpartikel, mellem 1 og 100 mikrometer i diameter, med hulrummets elektriske felt.

"Ingen har nogensinde forsætligt suspenderet en partikel i et elektrisk felt i et vakuum ved hjælp af SRF -hulrum, "sagde Drew Weisenberger, en hovedforsker på dette projekt, samt teknologichef og chef for Strålingsdetektor og Imaging Group i Experimental Nuclear Physics Division på Jefferson Lab.

Hvis projektteamet er i stand til at svæve en partikel, de kan muligvis derefter bibringe en kvantetilstand på den ved at afkøle den fangede partikel til dens lavest mulige energiniveau (fordi det er når kvanteegenskaber forekommer).

"Lagring af kvanteinformation om en leviteret nanopartikel er vores ultimative mål, men for nu, det er et bevis på principforsøg, "sagde Pashupati Dhakal, en anden hovedforsker på projektet og en personaleforsker ved Jefferson Lab i Accelerator Operations, Forsknings- og udviklingsafdeling. "Vi vil vide, om vi kan fange og svæve partikler inde i hulrummet ved hjælp af det elektriske felt."

Udforske kvanten med acceleratorhulrum

Ideen til dette projekt kom fra observationer af acceleratoreksperter. De tror, ​​at de allerede utilsigtet har leviteret uønskede og sjældne nanopartikler af metal, såsom niob og jern, inde i SRF -hulrum under partikelacceleratoroperationer. De formoder, at denne utilsigtede svævning har påvirket ydeevnen for SRF -hulrumskomponenter.

Forskere forsøger at bruge en flere årtier gammel teknik kaldet "laserfangst, "som et skridt mod pålidelig overførsel af en kvantetilstand til en partikel suspenderet i en laserstråle. Men, Jefferson Lab -projektteamet mener, at SRF -hulrum kan give et bedre værktøj til disse forskere.

"Et elektrisk felt kan gå potentielt ud over laserfældningens muligheder, "Sagde Weisenberger.

Iboende egenskaber ved SRF -hulrum vil overvinde nogle grænser for laserindfangning. En svævet partikel i et SRF -hulrum, der er under vakuum og afkølet til superkolde temperaturer, vil kun interagere med hulrummets elektriske felt og ikke miste information udefra, hvilket er vigtigt for at opretholde en kvantetilstand.

"Ligesom at gemme oplysninger på en computerchip, kvantetilstanden forbliver og ikke forsvinder, "Og Weisenberger sagde." Og det kan i sidste ende føre til applikationer inden for kvanteberegning og kvantekommunikation. "

Dette projekt, med titlen "SRF Levitation and Trapping of Nanoparticles Experiment, "er finansieret af Laboratory Directed Research &Development -programmet, som giver ressourcer til Jefferson Lab -personale til hurtigt og betydeligt at bidrage til kritiske videnskabelige og teknologiske problemer, der er relevante for Jefferson Labs og DOE's mission.

En tværfaglig tilgang

Projektet blev udtænkt og lanceret af Rongli Geng i oktober 2020, før han overgik til Oak Ridge National Laboratory. Det er nu flyttet til et større og mere tværfagligt team ledet af Weisenberger og Dhakal, de nuværende co-hovedforskere.

Weisenbergers team undersøger detektorteknologi til atomfysisk forskning, der henviser til, at Dhakals arbejde fokuserer på at udvikle SRF -hulrum til at accelerere elektroner ved høje hastigheder. Weisenberger siger, at den tværfaglige tilgang vil samle deres ekspertise, når de sammen forgrener sig til det mindre velkendte område i dette LDRD -projekt.

Begge hovedforskere bemærker, at projektet går godt fremad, takket være den omhu og ekspertise, som alle medlemmer af teamet leverer. Teammedlemmer inkluderer John Musson, Frank Marhauser, Haipeng Wang, Wenze Xi, Brian Kross og Jack McKisson.

"Det er et interessant skridt uden for de sædvanlige ting, vi gør, "Weisenberger sagde." LDRD -programmet slipper Jefferson Lab -forskere og ingeniører løs på et forskningsspørgsmål, der ikke er direkte relateret til det, vi rent faktisk er ansat til at gøre, men gør brug af al den ekspertise, vi bringer, og det er en fantastisk ressource at trykke på for at prøve at strække. Det er det, vi gør med dette projekt, strækker sig. "

Byggeri og test

Inden projektet vendte om Weisenberger og Dhakal, Geng og hans kolleger havde fastlagt de nødvendige parametre for hulrummet og det elektriske felt med simuleringer og beregninger.

"Vi har alt på papiret, men vi skal gøre det til en realitet, "Sagde Dhakal.

Teamet er i øjeblikket ved at oprette eksperimentet i det virkelige liv.

"Vi må se, om det simulerede faktisk kan ske, "Sagde Weisenberger.

Først, de samler en mock-up af forsøget ved stuetemperatur. Derefter, de vil cirkulere flydende helium rundt om de ydre overflader af hulrummet for at afkøle det til superledende temperaturer, der nærmer sig absolut nul.

Dernæst kommer den sværeste del. De skal få en enkelt mikroskopisk partikel i det korrekte område af hulrummet, mens hulrummet er låst inde i et indeslutningsbeholder ved superledende temperaturer, under vakuum, og med det elektriske felt på.

"Vi har fundet på en måde til eksternt at starte en partikel i hulrummet under eksperimentelle forhold, vi skal bare teste det nu, "Sagde Weisenberger." I forsknings- og udviklingsverdenen, du kan ofte ikke gøre, hvad du troede, du kunne gøre. Vi prøver og tester og støder på problemer, prøv at løse problemerne, og fortsæt. "

Dette er et årlangt projekt med mulighed for endnu et års finansiering, alt efter hvordan tingene går. Det er også en tidlig fase, princip -bevis projekt. Hvis det i sidste ende lykkes, der ville stadig være en lang vej inden for F&U, før begreberne kunne anvendes til at bygge kvantecomputere. Sådanne computere ville kræve levitation og overførsel af kvantetilstande på titusinder til hundredvis til tusinder af meget mindre partikler forudsigeligt og pålideligt.

Stadig, forskerne ser frem til de opdagelser, de håber, at denne undersøgelse vil muliggøre vedrørende mikroskopisk partikeludvinding og potentiel observation af en kvantetilstand.

"Jeg er optimistisk, "Sagde Dhakal." Uanset hvad, vi opdager noget. Fejl er lige så meget en del af F&U som succes. Du lærer af begge. I bund og grund, om partiklen svæver eller ej eller om vi kan give den kvantetilstand eller ej, det er noget, der aldrig er gjort før. Det er meget udfordrende og spændende. "