Новости космоса и технологий. » Физика » Новое вращение атомов позволяет ученым поближе взглянуть на квантовые странности

Новое вращение атомов позволяет ученым поближе взглянуть на квантовые странности

Опубликовал: Admin, 31-10-2020, 01:01, Физика, 43, 0

Новое вращение атомов позволяет ученым поближе взглянуть на квантовые странности

Когда атомы становятся очень близкими, они развивают интригующие взаимодействия, которые можно использовать для создания новых поколений вычислений и других технологий. Эти взаимодействия в области квантовой физики оказалось трудно исследовать экспериментально из-за основных ограничений оптических микроскопов.

Теперь группа исследователей из Принстона во главе с Джеффом Томпсоном, доцентом кафедры электротехники, разработала новый способ контроля и измерения атомы так близко друг к другу, что ни один оптический объектив не может их различить.

Об этом говорится в статье, опубликованной 30 октября в журнале Наука , их метод возбуждает близко расположенные атомы эрбия в кристалле с помощью тонко настроенного лазера в оптической схеме нанометрового масштаба. Исследователи пользуются тем фактом, что каждый атом реагирует на несколько разные частоты или цвета лазерный свет , позволяя исследователям разрешать и контролировать несколько атомов, не полагаясь на их пространственная информация .

В обычном микроскопе пространство между двумя атомами эффективно исчезает, когда их расстояние ниже ключевого расстояния, называемого дифракционным пределом, которое примерно равно длине волны света. Это похоже на две далекие звезды, которые выглядят как единая светящаяся точка на ночном небе. Однако это также масштаб, в котором атомы начинают взаимодействовать и вызывают богатое и интересное квантово-механическое поведение.

«Мы всегда задаемся вопросом, на самом фундаментальном уровне - внутри твердых тел, внутри кристаллов - что на самом деле делают атомы? Как они взаимодействуют?» сказал физик Андрей Фараон, профессор Калифорнийского технологического института, который не принимал участия в исследовании. «Этот[paper]Открывает окно для изучения атомов, находящихся в очень, очень Непосредственной близости .».

Изучение атомов и их взаимодействий на крошечных расстояниях позволяет ученым исследовать квантовое свойство, известное как спин, и управлять им. Как форма импульса, вращение обычно описывается как восходящее или опускающееся (или и то, и другое, но это уже другая история). Когда расстояние между двумя атомами становится исчезающе малым - всего лишь миллиардными долями метра, - спин одного оказывает влияние на спин другого, и наоборот. Когда спины взаимодействуют в этой сфере, они могут запутаться - термин, который ученые используют для описания двух или более неразрывно связанных частиц. Запутанные частицы ведут себя так, как будто они существуют в одном месте, независимо от того, насколько далеко друг от друга они впоследствии станут. Запутанность - существенное явление, разделяющее квантовая механика из классического мира, и он находится в центре видения квантовых технологий. Новое устройство Princeton - это ступенька для ученых, позволяющая с беспрецедентной ясностью изучать эти спиновые взаимодействия.

Одной из важных особенностей нового устройства Princeton является его способность работать с сотнями атомов одновременно, обеспечивая богатую квантовую лабораторию для сбора эмпирических данных. Это благо для физиков, которые надеются раскрыть самые глубокие тайны реальности, включая жуткую природу запутанности.

Такое исследование не просто эзотерическое. За последние три десятилетия инженеры стремились использовать квантовые явления для создания сложных технологий обработки информации и коммуникации, от логических строительных блоков появляющихся квантовых компьютеров, способных решать в противном случае невозможные проблемы, до сверхбезопасных методов коммуникации, которые могут связывать машины в единое целое. невзламываемый квантовый Интернет. Для дальнейшей разработки этих систем ученым потребуется надежно запутывать частицы и использовать их для кодирования и обработки информации.

Команда Томпсона увидела возможность в эрбии. Традиционно используемый в лазерах и магнитах, эрбий не был широко исследован для использования в квантовых системах, потому что, по словам исследователей, его трудно наблюдать. Команда сделала прорыв в 2018 году, разработав способ усилить свет, излучаемый этими атомами, и чрезвычайно эффективно обнаружить этот сигнал. Теперь они показали, что могут делать все в массовом порядке.

Когда лазер освещает атомы, он возбуждает их ровно настолько, чтобы они испускали слабый свет с уникальной частотой, но достаточно деликатно, чтобы сохранять и считывать спины атомов. Эти частоты очень тонко меняются в зависимости от различных состояний атомов, так что «вверх» имеет одну частоту, а «вниз» - другую, и каждый отдельный атом имеет свою собственную пару частот.

«Если у вас есть ансамбль этих кубитов, все они излучают свет на очень немного разных частотах. Поэтому, тщательно настроив лазер на частоту одного или на частоту другого, мы можем обращаться к ним, даже если у нас нет возможности чтобы пространственно разрешить их ", - сказал Томпсон. «Каждый атом видит весь свет, но слушает только ту частоту, на которую настроен».

Тогда частота света является идеальным показателем вращения. Переключение вращения вверх и вниз дает исследователям возможность производить расчеты. Это похоже на транзисторы, которые в классическом компьютере либо включены, либо выключены, порождая нули и единицы нашего цифрового мира.

Чтобы сформировать основу полезного квантового процессора, эти кубиты должны пойти еще дальше.

«Сила взаимодействия связана с расстоянием между двумя вращениями», - сказал Сонгтао Чен, научный сотрудник лаборатории Томпсона и один из двух ведущих авторов статьи. «Мы хотим сблизить их, чтобы иметь возможность взаимодействовать друг с другом, и использовать это взаимодействие для создания квантового логического элемента».

Квантовый логический вентиль требует двух или более запутанных кубитов, что делает его способным выполнять уникальные квантовые операции, такие как вычисление шаблонов сворачивания белков или маршрутизации информации в квантовом Интернете.

Томпсон, который занимает руководящую должность в новой квантовой научной инициативе Министерства энергетики США стоимостью 115 миллионов долларов, стремится привести эти кубиты в порядок. В рамках направления материалов Центра совместного проектирования Quantum Advantage он возглавляет субкубиты для вычислений и сетей.

Его эрбиевая система, новый вид кубита, который особенно полезен в сетевых приложениях, может работать с использованием существующей телекоммуникационной инфраструктуры, посылая сигналы в виде закодированного света по кремниевым устройствам и оптическим волокнам. Эти два свойства дают эрбию преимущество в промышленности по сравнению с современными современными твердотельными кубитами, которые передают информацию в видимых длинах волн света, которые плохо работают с оптоволоконными сетями связи.

Тем не менее, чтобы работать в больших масштабах, эрбиевую систему необходимо будет усовершенствовать.

Хотя команда может контролировать и измерять состояние вращения своих кубитов независимо от того, насколько близко они подходят, и использовать оптические структуры для получения высокоточных измерений, они пока не могут расположить кубиты так, как необходимо, чтобы сформировать двухкубитные вентили. Для этого инженерам потребуется найти другой материал для размещения атомов эрбия. Исследование было разработано с учетом этого будущего улучшения.

«Одно из главных преимуществ того, как мы провели этот эксперимент, состоит в том, что он не имеет ничего общего с тем, в каком хозяине находится эрбий», - сказал Муктик Раха, аспирант шестого курса по электротехнике и один из двух ведущих исследователей. авторы. «Пока вы можете поместить внутрь него эрбий, и он не будет дрожать, все в порядке».


Источник


У данной публикации еще нет комментариев. Хотите начать обсуждение?

Написать комментарий
Имя:*
E-Mail:
Введите код: *
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив


Поиск по сайту
Полезные ссылки
Оцените работу сайта

TEHNONEWS

Новости космоса технологий нанотехнологий физики и химии