聲波讓量子系統(tǒng)彼此交談

在能源公司(能源部的研究人員DOE)阿貢實驗室和芝加哥大學已經(jīng)為不同類型的量子技術(shù)的發(fā)明了一種創(chuàng)新的方式“交談”相互利用聲音。該研究于2月11日在Nature Physics上發(fā)表，是使量子技術(shù)更接近現(xiàn)實的重要一步。

研究人員正在關(guān)注量子系統(tǒng)，它利用最小粒子的古怪行為，作為計算和通信的基礎(chǔ)新一代原子級電子學的關(guān)鍵。但是，持續(xù)的挑戰(zhàn)是在不同類型的技術(shù)之間傳遞信息，例如量子存儲器和量子處理器。

“我們通過詢問來處理這個問題：我們可以用聲波操縱和連接物質(zhì)的量子狀態(tài)嗎?”芝加哥大學分子工程研究所的Liew家庭教授Argonne資深科學家David Awschalom說道。紙。

運行量子計算操作的一個方法是使用“旋轉(zhuǎn)” -這可以是向上，向下或兩者的電子的性質(zhì)?？茖W家可以在今天的二進制計算機編程語言中使用這些零和一些。但是在其他地方獲取這些信息需要翻譯，科學家認為聲波可以提供幫助。

“目標是將聲波與材料中的電子旋轉(zhuǎn)耦合，”該論文的共同第一作者，研究生塞繆爾懷特利說。“但是，第一個挑戰(zhàn)是讓自旋要注意了。”于是，他們建有弧形電極系統(tǒng)集中聲波，就像用放大鏡聚焦光點。

結(jié)果很有希望，但他們需要更多的數(shù)據(jù)。為了更好地了解正在發(fā)生的事情，他們與位于阿貢的DOE科學用戶設(shè)施納米材料中心的科學家們一起實時觀察系統(tǒng)。基本上，他們使用來自實驗室同步加速器的極其強大的X射線，高級光子源，也是能源部科學用戶設(shè)施辦公室，作為顯微鏡觀察材料內(nèi)部的原子，因為聲波幾乎穿過它7，000每秒公里。

“這種新方法使我們能夠以極小的長度尺度觀察量子材料中的原子動力學和結(jié)構(gòu)，”Awschalom說。“這是只與儀器的幾個全球多個直接觀看原子晶格移動聲波穿過其中的一個。”

研究人員說，眾多令人驚訝的結(jié)果之一就是聲波的量子效應比他們最初想象的要復雜得多。為了建立一個全面的理論背后他們在亞原子水平觀察，他們轉(zhuǎn)向Uulicago的IME的Liew家庭教授和Argonne的資深科學家Giulia Galli教授。建模系統(tǒng)涉及編組的系統(tǒng)，該系統(tǒng)呈指數(shù)級增長的每一個粒子的相互作用，Awschalom說，“但加利教授是采取這種具有挑戰(zhàn)性的問題，并解釋基本物理特性，這使我們能夠進一步提高的世界級專家系統(tǒng)。”

懷特利說，通常很難發(fā)送超過幾微米的量子信息 - 這是單股蜘蛛絲的寬度。該技術(shù)可以擴展整個芯片或晶片的控制。

“結(jié)果為我們提供了控制我們系統(tǒng)的新方法，并打開了研究和技術(shù)應用的場所，如量子傳感，”該研究的另一位共同第一作者，博士后研究員Gary Wolfowicz說。

這一發(fā)現(xiàn)是芝加哥大學世界領(lǐng)先的量子信息科學與工程專業(yè)的另一項發(fā)現(xiàn); Awschalom是目前領(lǐng)導一個項目，建立一個量子“阿貢和費米加速器實驗室之間的隱形傳輸”的網(wǎng)絡測試原理的，潛在的牢不可破的通訊系統(tǒng)。

科學家指出，芝加哥大學，分子工程研究所和阿貢的專業(yè)知識，資源和設(shè)施的融合是充分探索該技術(shù)的關(guān)鍵。

“沒有一個團隊有能力探索這些復雜的量子系統(tǒng)并解決這類問題; 它采用最先進的設(shè)施，理論家和實驗家密切合作，“Awschalom說。“阿貢實驗室和芝加哥大學之間的緊密聯(lián)系使我們的學生解決一些在科學和技術(shù)的這個快速移動領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性的問題。”

該論文的其他共同作者是UChicago Assoc。UChicago教授David Schuster教授和Argonne資深科學家Andrew Cleland教授; 阿貢實驗室的科學家Joseph Heremans和Martin Holt; 研究生Christopher Anderson，Alexandre Bourassa，He Ma和Kevin Satzinger; 和博士后研究員孟燁。

這些器件是在William Eckhardt研究中心的Pritzker Nanofabrication Facility制造的。材料表征在UChicago材料研究科學和工程中心進行。拍攝聲波的X射線圖像的掃描顯微鏡在納米材料和高級光子源中心的硬X射線納米探針上進行。