De kwantummechanische eigenschappen van elektronen beginnen de deur te openen naar een nieuwe klasse van sensoren en computers met mogelijkheden die veel verder gaan dan wat hun tegenhangers in de klassieke natuurkunde kunnen bereiken. Kwantumtoestanden zijn notoir moeilijk te lezen of te schrijven, echter, en om het nog erger te maken, onzekerheid over de startvoorwaarden van die staten kan experimenten bewerkelijker of zelfs onmogelijk maken.

Nutsvoorzieningen, Penn Engineers hebben een systeem bedacht om die startvoorwaarden te resetten, test ze om te zien of ze correct zijn, en start automatisch het experiment als dat zo is, allemaal in een kwestie van microseconden.

Deze nieuwe "initialisatieprocedure" zal kwantumonderzoekers de tijd en moeite besparen om experimenten opnieuw uit te voeren om statistisch rekening te houden met onzekere starttoestanden, en nieuwe soorten metingen mogelijk te maken waarvoor exacte startomstandigheden nodig zijn.

Lee Bassett, universitair docent bij de afdeling Electrical and Systems Engineering en directeur van het Quantum Engineering Laboratory, samen met laboratoriumleden David Hopper en Joseph Lauigan, leidde een recent onderzoek waarin deze nieuwe initialisatieprocedure werd aangetoond. Lab-lid Tzu-Yung Huang droeg ook bij aan het onderzoek.

Het werd gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling toegepast .

"Initialisatie is een van de belangrijkste, fundamentele vereisten voor het doen van bijna elke vorm van verwerking van kwantuminformatie, Bassett zegt. "Je moet je kwantumtoestand deterministisch kunnen instellen voordat je er iets nuttigs mee kunt doen, maar het vuile kleine geheim is dat, in bijna alle kwantumarchitecturen, die initialisatie is niet perfect."

"Soms, "Hopper zegt, "we kunnen die onzekerheid accepteren, en door duizenden keren een experimenteel protocol uit te voeren, komen met een meting waar we uiteindelijk vertrouwen in hebben. Maar er zijn andere experimenten die we zouden willen doen waarbij dit soort middeling over meerdere runs niet zal werken."

Het specifieke type onzekerheid dat de onderzoekers hebben onderzocht, heeft te maken met een veelgebruikt kwantumsysteem dat bekend staat als een stikstof-vacature (NV) -centrum in diamant. Deze NV-centra zijn defecten die van nature voorkomen in diamant, waar het reguliere rooster van koolstofatomen af ​​en toe wordt verstoord met een stikstofatoom en een lege plek ernaast. De elektronenwolken van naburige atomen overlappen elkaar in deze lege ruimte, het creëren van een "gevangen molecuul" in de diamant die kan worden onderzocht met een laser, waardoor onderzoekers kunnen meten, of veranderen, de kwantumeigenschap van de elektronen die bekend staat als 'spin'.

De elektronen gevangen in een NV-centrum vormen een "qubit" - de basiseenheid van kwantuminformatie - die kan worden gebruikt om lokale velden te detecteren, kwantumsuperpositietoestanden opslaan, en zelfs kwantumberekeningen uitvoeren.

"Elektronen zijn uitstekende magnetische sensoren, "Bastett zegt, "en ze kunnen zelfs de kleine magnetische velden detecteren die geassocieerd zijn met koolstofkernen die het defect omringen. Die kernen kunnen zelf als qubits dienen en worden bestuurd met behulp van het centrale elektron om de verstrengelde kwantumtoestanden op te bouwen die de basis vormen van kwantumcomputers. Ze koppelen ook naar fotonen, die worden gebruikt om kwantuminformatie over lange afstanden te verzenden. Dus NV-centra laten de drie hoofdgebieden van de kwantumwetenschap echt samensmelten:sensing, communicatie en rekenen."

Hoe veelbelovend NV-centra ook zijn, onderzoekers hebben nog steeds te kampen met een onzekere variabele:het aantal elektronen dat vastzit in het NV-centrum wanneer een experiment begint, omdat elektronen in en uit het defect kunnen springen wanneer het wordt belicht met een laser. Een initialisatieprocedure die elke keer een voorspelbaar aantal elektronen garandeert, zou de hoeveelheid tijd verminderen die nodig is om een ​​experiment met succes uit te voeren, of maak experimenten mogelijk waarbij onzekere startomstandigheden achteraf niet statistisch kunnen worden gecorrigeerd.

"Het NV-centrum is als een doos met een munt erin, " zegt Lauigan. "Als we ons experiment alleen willen doen als de munt op kop staat, we moeten de doos schudden, controleer de munt, en herhaal totdat we ontdekken dat het de goede kant op is geland. Dat is de initialisatieprocedure."

Om deze initialisatie uit te voeren, de onderzoekers gebruikten een paar lasers, fotondetectoren en gespecialiseerde hardware die de precieze timing aankan.

"We schijnen een groene laser op het NV-centrum, die in feite 'de munt omdraait' en het aantal elektronen vermengt dat in het defect zit, "zegt Hopper. "Dan komen we binnen met een rode laser, en afhankelijk van het aantal elektronen dat er is, het defect zal ofwel een foton uitzenden of donker blijven."

"Zodra we het foton detecteren dat ons vertelt dat het juiste aantal elektronen in het defect zit, gespecialiseerde circuits starten automatisch het experiment, Huang zegt. "Dit gebeurt allemaal in ongeveer 500 nanoseconden; er is geen tijd om het signaal te laten analyseren door een normale computer, dus het moet allemaal gebeuren op deze gespecialiseerde chips die veldprogrammeerbare poortarrays worden genoemd."

De onderzoekers maakten gebruik van de kracht van geavanceerde klassieke elektronica om een ​​bepaald kwantumdetectiesysteem beter te controleren. Dat lieten ze zien, dankzij ideale startomstandigheden, hun apparaat kan een klein oscillerend magnetisch veld van slechts 1,3 nanoteslas detecteren in één seconde metingen, wat een gevoeligheidsrecord is voor kwantumsensoren bij kamertemperatuur op basis van enkele NV-centra.

De initialisatieprocedure van de onderzoekers kan ook helpen om de voortgang van nieuwe kwantumarchitecturen voor berekening en communicatie te versnellen. Diamant is meestal samengesteld uit twee stabiele isotopen van koolstof, koolstof-12 en koolstof-13. De eerste is de meest voorkomende, maar om de paar tienden van een nanometer, er is een atoom van de laatste. En omdat koolstof-13 een extra neutron heeft, het vertoont kernspin en kan worden gebruikt als een qubit.

Een NV-centrum kan een "handvat" zijn voor het regelen van die kernspinqubits in een kwantumcomputer, maar in deze situatie wordt het vermogen om de status precies te initialiseren cruciaal. De fouten die gepaard gaan met een slechte initialisatie vermenigvuldigen zich, en het wordt al snel onmogelijk om een ​​complexe berekening uit te voeren. Het type realtime meting en controle dat door het team in dit werk wordt gebruikt, is een belangrijke stap in de richting van de implementatie van meer geavanceerde foutcorrigerende protocollen in deze kwantumapparaten.

Op korte termijn, het verbeterde detectievermogen zal nuttig zijn bij het bepalen van de locaties van koolstof-13-atomen in het diamantrooster.

"Het vinden van al die speciale koolstofatomen is een moeizaam proces, omdat er zoveel atomen zijn en elke meting erg lang duurt, " zegt Hopper. "Toen we aan dit project begonnen, ons doel was om te zien waardoor die metingen zo lang duurden en of er een manier was om het te verkorten."