2019-02-18 21:48:02
声波让量子系统彼此交谈

芝加哥大学和阿贡国家实验室的研究人员为不同类型的量子技术发明了一种创新方式,可以通过声音相互“交谈”。该研究于2月11日在Nature Physics上发表,是使量子技术更接近现实的重要一步。

研究人员正在关注量子系统,它利用最小粒子的古怪行为作为计算和通信的基本新一代原子级电子学的关键。但是,持续的挑战是在不同类型的技术之间传递信息,例如量子存储器和量子处理器。

“我们通过询问来接近这个问题:我们可以操纵和连接物质的量子态与声波吗?”高级研究作者David Awschalom说,他是分子工程研究所的Liew家庭教授和阿贡国家实验室的资深科学家。

运行量子计算操作的一种方法是使用“旋转” - 电子的属性,可以是向上,向下或两者。科学家可以在今天的二进制计算机编程语言中使用这些零和一些。但是在其他地方获取这些信息需要翻译,科学家认为声波可以提供帮助。

“目标是将声波与材料中的电子旋转耦合,”该论文的共同第一作者,研究生塞缪尔怀特利说。 “但第一个挑战是让旋转得到关注。”因此他们建立了一个带有弯曲电极的系统来集中声波,就像使用放大镜聚焦一个光点一样。

结果很有希望,但他们需要更多的数据。为了更好地了解正在发生的事情,他们与Argonne纳米材料中心的科学家们一起实时观察系统。基本上,他们使用来自实验室的巨型同步加速器的高亮度强光X射线,高级光子源,作为显微镜观察材料内部的原子,因为声波以每秒近7000公里的速度穿过它。

“这种新方法使我们能够以极小的长度尺度观察量子材料中的原子动力学和结构,”Awschalom说。 “这是世界上仅有的几个地方之一,当声波通过它们时,直接观察原子在晶格中移动的仪器。”

研究人员说,众多令人惊讶的结果之一就是声波的量子效应比他们最初想象的要复杂得多。为了建立一个全面的理论背后他们在亚原子水平观察,他们转向了IME的Liew家庭教授和Argonne的资深科学家Giulia Galli教授。 Awschalom说,系统建模涉及编组系统中每个单个粒子的相互作用,这种相互作用呈指数增长,但Galli教授是采用这种具有挑战性的问题并解释基础物理学的世界级专家,这使我们能够进一步改进系统。”

通常很难发送量子信息超过几微米,怀特利说 - 这是单股蜘蛛丝的宽度。该技术可以扩展整个芯片或晶片的控制。

“结果为我们提供了控制我们系统的新方法,并打开了研究和技术应用的场所,如量子传感,”该研究的另一位共同第一作者,博士后研究员Gary Wolfowicz说。

这一发现是芝加哥大学世界领先的量子信息科学与工程专业的另一项发现; Awschalom目前正在领导一个项目,在阿贡和费米国家加速器实验室之间建立一个量子“远程传送”网络,以测试可能不可破解的通信系统的原理。

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