Van laptops tot mobiele telefoons, de technologie van vandaag gaat vooruit door de steeds toenemende snelheid waarmee elektrische ladingen door circuits worden geleid. evenzo, het versnellen van de controle over kwantumtoestanden in atomaire en nanoschaalsystemen zou kunnen leiden tot sprongen voor het opkomende gebied van kwantumtechnologie.

Een internationale samenwerking tussen natuurkundigen van de Universiteit van Chicago, Argonne Nationaal Laboratorium, McGill-universiteit, en de Universiteit van Konstanz heeft onlangs een nieuw raamwerk gedemonstreerd voor snellere controle van een kwantumbit. Voor het eerst online gepubliceerd op 28 november, 2016, in Natuurfysica , hun experimenten met een enkel elektron in een diamantchip zouden kwantumapparaten kunnen creëren die minder gevoelig zijn voor fouten wanneer ze met hoge snelheden worden gebruikt.

Quantumdynamica versnellen

Om hun experiment te begrijpen, men kan kijken naar de ultieme setting voor snelheid in klassieke dynamiek:de ovale racebanen bij de Indianapolis of Daytona 500. Om de raceauto's in staat te stellen met geweldige snelheden door de bochten te navigeren, het trottoir van de racebaan is tot 30 graden "helling". Een student Newtoniaanse mechanica zou kunnen uitleggen dat deze binnenwaartse helling van het wegdek de normaalkracht van de weg toestaat om de centrifugale versnelling van de auto op te heffen. of de neiging om vanuit de bocht naar buiten te glijden. Hoe groter de snelheid, hoe groter de hellingshoek die nodig is.

"De dynamiek van kwantumdeeltjes gedraagt ​​zich analoog, " zei Aashish Clerk, hoogleraar theoretische natuurkunde aan de McGill University. "Hoewel de bewegingsvergelijkingen verschillend zijn, om de toestand van een kwantumdeeltje met hoge snelheden nauwkeurig te veranderen, je moet het juiste spoor ontwerpen om de juiste krachten over te brengen."

griffier, samen met McGill postdoctorale fellows Alexandre Baksic en Hugo Ribeiro, formuleerde een nieuwe techniek om snellere kwantumdynamica mogelijk te maken door behendig schadelijke versnellingen te absorberen die door het kwantumdeeltje worden gevoeld. Deze versnellingen, tenzij gecompenseerd, zou het deeltje afleiden van zijn beoogde baan in de ruimte van kwantumtoestanden, vergelijkbaar met hoe de centrifugale versnelling de raceauto afleidt van zijn beoogde racelijn op de baan.

Door gesprekken met leden van zijn eigen groep en de Clerk-groep, David Awschalom, hoogleraar spintronica en kwantuminformatie aan het Institute for Molecular Engineering van de Universiteit van Chicago, realiseerde zich dat de nieuwe theorie zou kunnen worden gebruikt om de op diamanten gebaseerde kwantumapparaten in zijn laboratoria te versnellen. Echter, net zoals de aanleg van snelwegen met hellingen een uitdaging vormde in de civiele techniek, het experimenteel uitvoeren van de controlesequenties die door Clerk en collega's werden voorgesteld in kwantumtechniek.

Het bouwen van de kwantumsnelle baan vereiste een ingewikkelde vorm van stralen, gesynchroniseerde laserpulsen op enkele elektronen gevangen in defecten in hun diamantchips. Deze experimentele prestatie werd bereikt door hoofdauteur Brian Zhou, werken met Christopher Yale, F. Joseph Heremans, en Paul Jerger.

"We hebben aangetoond dat deze nieuwe protocollen de toestand van een kwantumbit kunnen veranderen, van 'uit' naar 'aan, ' 300% sneller dan conventionele methoden, " zei Awschalom, ook een senior wetenschapper bij Argonne National Laboratory. "Het is essentieel om elke nanoseconde van de operatietijd te scheren om de impact van kwantumdecoherentie te verminderen, " hij legde uit, verwijzend naar het proces waarbij kwantuminformatie verloren gaat aan de omgeving

Professor Guido Burkard en Adrian Auer van de Universiteit van Konstanz voegden zich bij de Awschalom- en Clerk-groepen om de gegevens van de experimenten te onderzoeken. Een toonaangevende expert in op diamanten gebaseerde kwantumsystemen, Burkard merkte op, "Wat veelbelovend is voor het vertalen van deze technieken buiten het laboratorium, is dat ze effectief zijn, zelfs als het systeem niet perfect geïsoleerd is."

De onderzoekers verwachten dat hun methoden verder kunnen worden toegepast voor snelle en nauwkeurige controle over de fysieke beweging van atomen of de overdracht van kwantumtoestanden tussen verschillende systemen, en voordelen overbrengen op kwantumtoepassingen, zoals beveiligde communicatie en simulatie van complexe systemen.