Forskere opfinder kvantefløjte, der kan få lyspartikler til at bevæge sig sammen

University of Chicago fysikere har opfundet en "kvantefløjte", der ligesom Pied Piper kan tvinge partikler af lys til at bevæge sig sammen på en måde, der aldrig er set før.

Beskrevet i to undersøgelser offentliggjort i Physical Review Letters og Naturfysik , kunne gennembruddet pege vejen mod realisering af kvantehukommelser eller nye former for fejlkorrektion i kvantecomputere og observation af kvantefænomener, der ikke kan ses i naturen.

Assoc. Prof. David Schusters laboratorium arbejder på kvantebits – kvanteækvivalenten til en computerbit – som udnytter partiklernes mærkelige egenskaber på atom- og subatomare niveau for at gøre ting, der ellers er umulige. I dette eksperiment arbejdede de med lyspartikler, kendt som fotoner, i mikrobølgespektret.

Systemet, de udtænkte, består af et langt hulrum lavet i en enkelt metalblok, designet til at fange fotoner ved mikrobølgefrekvenser. Hulrummet er lavet ved at bore forskudte huller - som huller i en rille.

"Ligesom i musikinstrumentet," sagde Schuster, "kan du sende en eller flere bølgelængder af fotoner hen over det hele, og hver bølgelængde skaber en 'note', der kan bruges til at kode kvanteinformation." Forskerne kan derefter kontrollere interaktionerne mellem "noterne" ved hjælp af en master-kvantebit, et superledende elektrisk kredsløb.

Men deres mærkeligste opdagelse var måden fotonerne opførte sig på.

I naturen interagerer fotoner næsten aldrig - de passerer simpelthen gennem hinanden. Med omhyggelig forberedelse kan videnskabsmænd nogle gange få to fotoner til at reagere på hinandens tilstedeværelse.

"Her laver vi noget endnu mærkeligere," sagde Schuster. "Først interagerer fotonerne slet ikke, men når den samlede energi i systemet når et vendepunkt, taler de pludselig alle sammen."

At have så mange fotoner der "taler" med hinanden i et laboratorieeksperiment er ekstremt mærkeligt, ligesom at se en kat gå på bagbenene.

"Normalt er de fleste partikelinteraktioner en-til-en - to partikler, der hopper eller tiltrækker hinanden," sagde Schuster. "Hvis du tilføjer en tredjedel, interagerer de normalt stadig sekventielt med den ene eller den anden. Men dette system har dem alle til at interagere på samme tid."

Deres eksperimenter testede kun op til fem "noter" ad gangen, men forskerne kunne i sidste ende forestille sig at køre hundreder eller tusinder af noter gennem en enkelt qubit for at kontrollere dem. Med en operation så kompleks som en kvantecomputer ønsker ingeniører at forenkle overalt, hvor de kan, sagde Schuster:"Hvis du ville bygge en kvantecomputer med 1.000 bits, og du kunne styre dem alle gennem en enkelt bit, ville det være utrolig værdifuldt ."

Forskerne er også begejstrede for selve adfærden. Ingen har observeret noget lignende disse interaktioner i naturen, så forskerne håber også, at opdagelsen kan være nyttig til at simulere komplekse fysiske fænomener, som ikke engang kan ses her på Jorden, inklusive måske endda noget af fysikken i sorte huller.

Ud over det er eksperimenterne bare sjove.

"Normalt finder kvanteinteraktioner sted over længde og tidsskalaer, der er for små eller hurtige til at se. I vores system kan vi måle enkelte fotoner i enhver af vores noter og se effekten af ​​interaktionen, mens den sker. Det er egentlig ganske pænt at ' se 'en kvanteinteraktion med dit øje,' sagde UChicago postdoc-forsker Srivatsan Chakram, co-første forfatter på papiret, nu en assisterende professor ved Rutgers University. + Udforsk yderligere

Tvillingfotoner fra forskellige kvanteprikker