Onderzoekers van de Universiteit van Chicago en het Argonne National Laboratory hebben een innovatieve manier bedacht om verschillende soorten kwantumtechnologie met elkaar te 'praten' met behulp van geluid. De studie, gepubliceerd op 11 februari in Natuurfysica , is een belangrijke stap om kwantumtechnologie dichter bij de realiteit te brengen.

Onderzoekers kijken naar kwantumsystemen, die het eigenzinnige gedrag van de kleinste deeltjes gebruiken als de sleutel tot een fundamenteel nieuwe generatie elektronica op atomaire schaal voor berekening en communicatie. Maar een hardnekkige uitdaging is de overdracht van informatie tussen verschillende soorten technologie, zoals kwantumgeheugens en kwantumprocessors.

"We hebben deze vraag benaderd door te vragen:kunnen we kwantumtoestanden van materie manipuleren en verbinden met geluidsgolven?" zei senior studie auteur David Awschalom, de Liew Family Professor bij het Institute for Molecular Engineering en senior wetenschapper bij Argonne National Laboratory.

Een manier om een ​​kwantumcomputerbewerking uit te voeren, is door 'spins' te gebruiken - een eigenschap van een elektron die omhoog kan zijn, naar beneden of beide. Wetenschappers kunnen deze gebruiken als nullen en enen in de huidige binaire computerprogrammeertaal. Maar om deze informatie ergens anders te krijgen, heb je een vertaler nodig, en wetenschappers dachten dat geluidsgolven konden helpen.

"Het doel is om de geluidsgolven te koppelen aan de spins van elektronen in het materiaal, " zei afgestudeerde student Samuel Whiteley, de co-eerste auteur op het papier. "Maar de eerste uitdaging is om de spins te laten opletten." Dus bouwden ze een systeem met gebogen elektroden om de geluidsgolven te concentreren, zoals het gebruik van een vergrootglas om een ​​lichtpunt scherp te stellen.

De resultaten waren veelbelovend, maar ze hadden meer gegevens nodig. Om beter te kunnen zien wat er aan de hand was, ze werkten samen met wetenschappers van het Center for Nanoscale Materials in Argonne om het systeem in realtime te observeren. Eigenlijk, ze gebruikten extreem heldere, krachtige röntgenstralen van de gigantische synchrotron van het lab, de geavanceerde fotonbron, als een microscoop om naar de atomen in het materiaal te kijken terwijl de geluidsgolven er met bijna 7 doorheen gingen, 000 kilometer per seconde.

"Deze nieuwe methode stelt ons in staat om de atomaire dynamica en structuur in kwantummaterialen te observeren op extreem kleine lengteschalen, "zei Awschalom. "Dit is een van de weinige locaties wereldwijd met de instrumentatie om atomen direct in een rooster te zien bewegen terwijl geluidsgolven er doorheen gaan."

Een van de vele verrassende resultaten, zeiden de onderzoekers, was dat de kwantumeffecten van geluidsgolven ingewikkelder waren dan ze eerst hadden gedacht. Om een ​​alomvattende theorie te bouwen achter wat ze op subatomair niveau waarnamen, ze wendden zich tot prof. Giulia Galli, de Liew Family Professor aan het IME en een senior scientist bij Argonne. Het modelleren van het systeem omvat het rangschikken van de interacties van elk afzonderlijk deeltje in het systeem, die exponentieel groeit, Awschalom zei, "maar professor Galli is een wereldexpert in het aanpakken van dit soort uitdagende problemen en het interpreteren van de onderliggende fysica, waardoor we het systeem verder konden verbeteren."

Het is normaal gesproken moeilijk om kwantuminformatie te verzenden voor meer dan een paar micron, zei Whiteley - dat is de breedte van een enkele streng spinnenzijde. Deze techniek zou de controle over een hele chip of wafer kunnen uitbreiden.

"De resultaten gaven ons nieuwe manieren om onze systemen te controleren, en opent locaties voor onderzoek en technologische toepassingen zoals kwantumdetectie, " zei postdoctoraal onderzoeker Gary Wolfowicz, de andere co-eerste auteur van de studie.

De ontdekking is een andere van het toonaangevende programma van de Universiteit van Chicago op het gebied van kwantuminformatiewetenschap en -techniek; Awschalom leidt momenteel een project om een ​​kwantum "teleportatie"-netwerk te bouwen tussen Argonne en Fermi National Accelerator Laboratory om principes te testen voor een potentieel onhackbaar communicatiesysteem.