Wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy voeren fundamenteel natuurkundig onderzoek uit dat zal leiden tot meer controle over mercuriale kwantumsystemen en materialen. Hun studies zullen vooruitgang in quantum computing mogelijk maken, voelen, simulatie, en materiaalontwikkeling.

De experimentele resultaten van de onderzoekers zijn onlangs gepubliceerd in Fysieke beoordeling B Snelle communicatie en Optica Letters .

Kwantuminformatie wordt als kwetsbaar beschouwd omdat het verloren kan gaan wanneer het systeem waarin het is gecodeerd interageert met zijn omgeving, een proces dat dissipatie wordt genoemd. Wetenschappers van ORNL's directoraten Computing and Computational Sciences en Physical Sciences en Vanderbilt University hebben samengewerkt om methoden te ontwikkelen die hen zullen helpen de "lekkende, "dissipatief gedrag dat inherent is aan kwantumsystemen.

"Ons doel is om experimentele platforms te ontwikkelen waarmee we quantum coherente dynamiek in materialen kunnen onderzoeken en controleren, " zei Benjamin Lawrie, een onderzoekswetenschapper in het Quantum Sensing Team in de Quantum Information Science Group van ORNL. "Om dat te doen, je moet vaak kunnen begrijpen wat er op nanoschaal gebeurt."

Met perspectieven uit de kwantuminformatiewetenschap, nanowetenschap en elektronenmicroscopie, de wetenschappers benutten bestaande kennis van materie en de fysica van licht en geluid om de kwantumaard van nanostructuren te onderzoeken - structuren die ongeveer een miljardste van een meter meten.

Eén project was gericht op het aansturen van defecten in stikstofvacatures in nanodiamanten met plasmonen. De natuurlijk voorkomende defecten worden gecreëerd wanneer een stikstofatoom wordt gevormd in plaats van het typische koolstofatoom, naast een atoomloze vacature. De gebreken worden onderzocht voor gebruik in verstrikkingsproeven, een toestand waarin aanzienlijk meer informatie kan worden gecodeerd in een kwantumsysteem dan kan worden bereikt met klassieke computers.

Elektronen wekken een elektrisch veld op. Wanneer een elektronenstraal op een materiaal wordt toegepast, de elektronen van het materiaal worden in beweging gebracht - een toestand die excitatie wordt genoemd - waardoor een magnetisch veld ontstaat dat vervolgens als licht kan worden gedetecteerd. Werken met plasmonen, elektronenexcitaties die gemakkelijk koppelen met licht, stelt wetenschappers in staat om elektromagnetische velden op nanoschaal te onderzoeken.

Matthew Veldman, een afgestudeerde Vanderbilt University-student die promotieonderzoek doet bij ORNL via het National Defense Science and Engineering Graduate Fellowship-programma en een lid van het Quantum Sensing-team, een hoogenergetische elektronenstraal gebruikt om stikstofleegstandscentra in diamantnanodeeltjes te prikkelen, waardoor ze licht uitstralen. Vervolgens gebruikte hij een kathodoluminescentiemicroscoop van ORNL's Materials Science and Technology Division, die de luminescentie van het zichtbare spectrum meet in bestraalde materialen, om de uitgezonden fotonen te verzamelen en snelle interacties tussen stikstofleegstandscentra te karakteriseren, plasmonen en trillingen in de nanodiamant.

Bij ander onderzoek is Jordan Hachtel, een postdoctoraal onderzoeker bij ORNL's Centre for Nanophase Materials Sciences, gebruikte de kathodoluminescentiemicroscoop om plasmonen op te wekken in gouden nanospiralen. Hij onderzocht hoe de geometrie van de spiralen kan worden gebruikt om energie te concentreren in systemen op nanoschaal. Andy Lupini diende het project als microscopieconsulent, het bieden van expertise met betrekking tot apparatuuroptimalisatie en probleemoplossing.

Nauwkeurige controle over energieoverdracht op nanoschaal is vereist om langdurige verstrengeling mogelijk te maken in een model dat is onderzocht door Eugene Dumitrescu, een onderzoekswetenschapper in de Quantum Information Science Group van ORNL. Dumitrescu's onderzoek, gepubliceerd in Physical Review A eind 2017, toonde aan dat de fotonstatistieken die Feldman verzamelde, konden worden gebruikt in berekeningen om verstrengeling aan te tonen.

"Dit werk bevordert onze kennis over hoe we licht-materie-interacties kunnen beheersen, experimenteel bewijs leveren van een fenomeen dat eerder was beschreven door simulaties, ' zei Lawrie.

Gesloten systemen, waarin kwantuminformatie uit zijn omgeving kan worden gehouden, kan theoretisch dissipatie voorkomen, maar echte kwantumsystemen staan ​​open voor talrijke invloeden die leiden tot informatielekkage.

"De olifant in de kamer in discussies over kwantumsystemen is decoherentie, " Feldman zei. "Als we een omgeving kunnen modelleren om te beïnvloeden hoe een kwantumsysteem werkt, we kunnen verstrengeling mogelijk maken."

Dumitrescu was het daarmee eens. "We weten dat kwantumsystemen lek zullen zijn. Een remedie is om ze aan te drijven, " zei hij. "De aandrijfmechanismen die we onderzoeken, heffen de effecten van dissipatie op."

Dumitrescu gebruikte de analogie van een muziekinstrument om de pogingen van de onderzoekers om kwantumsystemen te controleren te verklaren. "Als je een vioolsnaar tokkelt, je krijgt het geluid, maar het begint te verdwijnen door de omgeving, de lucht, ' zei hij. 'Maar als je de boog langzaam over de pees trekt, je krijgt een stabieler, langduriger geluid. Je hebt het systeem onder controle gebracht."

Feldman denkt dat dit fascinerende tijden zijn voor kwantumfysici, omdat het gebied van kwantumcomputing zich in dezelfde fase bevindt als klassieke informatica in het midden van de 20e eeuw. "Wat me het meest opwindt, is hoe huidig ​​​​onderzoek ons ​​begrip van kwantumsystemen en materialen kan veranderen, " hij zei.