Als atomen extreem dichtbij komen, ze ontwikkelen intrigerende interacties die kunnen worden aangewend om nieuwe generaties computers en andere technologieën te creëren. Deze interacties op het gebied van de kwantumfysica zijn moeilijk experimenteel te bestuderen vanwege de fundamentele beperkingen van optische microscopen.

Nu een team van Princeton-onderzoekers, onder leiding van Jeff Thompson, een assistent-professor in de elektrotechniek, heeft een nieuwe manier ontwikkeld om atomen te controleren en te meten die zo dicht bij elkaar liggen dat geen enkele optische lens ze kan onderscheiden.

Beschreven in een artikel gepubliceerd op 30 oktober in het tijdschrift Wetenschap , hun methode prikkelt dicht op elkaar staande erbiumatomen in een kristal met behulp van een fijn afgestemde laser in een optisch circuit op nanometerschaal. De onderzoekers profiteren van het feit dat elk atoom op iets andere frequenties reageert, of kleuren, van laserlicht, waardoor de onderzoekers meerdere atomen kunnen oplossen en controleren, zonder te vertrouwen op hun ruimtelijke informatie.

In een conventionele microscoop, de ruimte tussen twee atomen verdwijnt effectief wanneer hun scheiding lager is dan een sleutelafstand die de diffractielimiet wordt genoemd, die ongeveer gelijk is aan de golflengte van het licht. Dit is analoog aan twee verre sterren die als een enkel lichtpunt aan de nachtelijke hemel verschijnen. Echter, dit is ook de schaal waarop atomen beginnen te interageren en aanleiding geven tot rijk en interessant kwantummechanisch gedrag.

"We vragen ons altijd af, op het meest fundamentele niveau - binnen vaste stoffen, in kristallen - wat doen atomen eigenlijk? Hoe gaan ze met elkaar om?" zei natuurkundige Andrei Faraon, een professor aan het California Institute of Technology die niet betrokken was bij het onderzoek. "Deze [paper] opent het venster om atomen te bestuderen die zich in zeer, heel dichtbij."

Door atomen en hun interacties op kleine afstanden te bestuderen, kunnen wetenschappers een kwantumeigenschap die bekend staat als spin verkennen en beheersen. Als een vorm van momentum, spin wordt meestal beschreven als omhoog of omlaag (of beide, maar dat is een ander verhaal). Wanneer de afstand tussen twee atomen verdwijnend klein wordt - slechts miljardsten van een meter - oefent de spin van de ene invloed uit op de spin van de andere, en vice versa. Terwijl spins op elkaar inwerken in dit rijk, ze kunnen verstrikt raken, een term die wetenschappers gebruiken om twee of meer deeltjes te beschrijven die onlosmakelijk met elkaar verbonden zijn. Verstrengelde deeltjes gedragen zich alsof ze één bestaan ​​delen, hoe ver ze later ook uit elkaar liggen. Verstrengeling is het essentiële fenomeen dat de kwantummechanica scheidt van de klassieke wereld, en het staat centraal in de visie voor kwantumtechnologieën. Het nieuwe Princeton-apparaat is een opstapje voor wetenschappers om deze spin-interacties met ongekende helderheid te bestuderen.

Een belangrijk kenmerk van het nieuwe Princeton-apparaat is het potentieel om honderden atomen tegelijk aan te pakken, een rijk kwantumlaboratorium bieden om empirische gegevens te verzamelen. Het is een zegen voor natuurkundigen die hopen de diepste mysteries van de werkelijkheid te ontrafelen, inclusief de spookachtige aard van verstrengeling.

Een dergelijk onderzoek is niet alleen esoterisch. In de afgelopen drie decennia is ingenieurs hebben geprobeerd kwantumverschijnselen te gebruiken om complexe technologieën voor informatieverwerking en communicatie te creëren, van de logische bouwstenen van opkomende kwantumcomputers, in staat om anders onmogelijke problemen op te lossen, tot ultraveilige communicatiemethoden die machines kunnen koppelen aan een onkraakbaar kwantuminternet. Om deze systemen verder te ontwikkelen, wetenschappers zullen deeltjes betrouwbaar moeten verstrengelen en hun verstrengeling moeten benutten om informatie te coderen en te verwerken.

Het team van Thompson zag een kans in erbium. Traditioneel gebruikt in lasers en magneten, erbium werd niet op grote schaal onderzocht voor gebruik in kwantumsystemen omdat het moeilijk te observeren is, volgens de onderzoekers. Het team maakte in 2018 een doorbraak, een manier ontwikkelen om het door deze atomen uitgestraalde licht te versterken, en om dat signaal uiterst efficiënt te detecteren. Nu hebben ze laten zien dat ze het allemaal massaal kunnen.

Wanneer de laser de atomen verlicht, het windt ze net genoeg op om een ​​zwak licht uit te zenden met een unieke frequentie, maar subtiel genoeg om de spins van de atomen te bewaren en uit te lezen. Deze frequenties veranderen heel subtiel volgens de verschillende toestanden van de atomen, zodat "omhoog" één frequentie heeft en "omlaag" een andere, en elk individueel atoom heeft zijn eigen paar frequenties.

"Als je een ensemble van deze qubits hebt, ze zenden allemaal licht uit op zeer licht verschillende frequenties. En dus door de laser zorgvuldig af te stemmen op de frequentie van de een of de frequentie van de ander, we kunnen ze aanspreken, ook al hebben we geen mogelijkheid om ze ruimtelijk op te lossen, "Zei Thompson. "Elk atoom ziet al het licht, maar ze luisteren alleen naar de frequentie waarop ze zijn afgestemd."

De frequentie van het licht is dan een perfecte proxy voor de spin. Door de spins op en neer te schakelen, krijgen onderzoekers een manier om berekeningen te maken. Het is verwant aan transistors die aan of uit staan ​​in een klassieke computer, die aanleiding geven tot de nullen en enen van onze digitale wereld.

Om de basis te vormen van een bruikbare kwantumprocessor, deze qubits zullen een stap verder moeten gaan.

"De kracht van de interactie is gerelateerd aan de afstand tussen de twee spins, " zei Songtao Chen, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Thompson en een van de twee hoofdauteurs van het artikel. "We willen ze dichtbij brengen, zodat we deze wederzijdse interactie kunnen hebben, en gebruik deze interactie om een ​​kwantumlogische poort te creëren."

Een kwantumlogica-poort vereist twee of meer verstrengelde qubits, waardoor het in staat is om unieke kwantumbewerkingen uit te voeren, zoals het berekenen van de vouwpatronen van eiwitten of het routeren van informatie op het kwantuminternet.

Thompson, die een leidende positie bekleedt bij het nieuwe $ 115 miljoen kwantumwetenschappelijke initiatief van het Amerikaanse ministerie van Energie, is op een missie om deze qubits tot een goed einde te brengen. Binnen de materialenstuwkracht van het Co-Design Center for Quantum Advantage, hij leidt de subqubits voor computers en netwerken.

Zijn erbiumsysteem, een nieuw soort qubit dat vooral handig is in netwerktoepassingen, kunnen werken met behulp van de bestaande telecommunicatie-infrastructuur, het verzenden van signalen in de vorm van gecodeerd licht over siliciumapparaten en optische vezels. Deze twee eigenschappen geven erbium een ​​industrieel voordeel ten opzichte van de meest geavanceerde solid-state qubits van vandaag, die informatie verzenden via golflengten van zichtbaar licht die niet goed werken met glasvezelcommunicatienetwerken.

Nog altijd, op schaal opereren, het erbiumsysteem moet nog verder worden ontwikkeld.

Hoewel het team de spinstatus van zijn qubits kan controleren en meten, hoe dichtbij ze ook komen, en optische structuren gebruiken om high-fidelity-metingen te produceren, ze kunnen de qubits nog niet zo rangschikken als nodig is om poorten van twee qubits te vormen. Om dat te doen, ingenieurs zullen een ander materiaal moeten vinden om de erbiumatomen te huisvesten. De studie is ontworpen met deze toekomstige verbetering in het achterhoofd.

"Een van de grote voordelen van de manier waarop we dit experiment hebben gedaan, is dat het niets te maken heeft met de gastheer waarin de erbium zich bevindt, " zei Mouktik Raha, een zesdejaars student elektrotechniek en een van de twee hoofdauteurs van de paper. "Zolang je erbium in kunt doen en het niet trilt, je bent klaar om te gaan."