Quantum computing kan problemen oplossen die moeilijk zijn voor traditionele computersystemen. Het lijkt misschien magie. Een stap in de richting van quantum computing lijkt zelfs op de truc van een goochelaar:levitatie. Een nieuw project bij de Thomas Jefferson National Accelerator Facility van het Amerikaanse ministerie van Energie zal deze truc proberen door een microscopisch deeltje in een supergeleidende radiofrequentie (SRF) holte te laten zweven om kwantumverschijnselen te observeren.

Typisch bij Jefferson Lab en andere faciliteiten voor deeltjesversnellers, SRF-holtes maken studies van de atoomkern mogelijk. Ze doen dit door subatomaire deeltjes te versnellen, zoals elektronen. Dit project zal hetzelfde type holte gebruiken om in plaats daarvan een microscopisch deeltje metaal te laten zweven, tussen 1 en 100 micrometer in diameter, met het elektrische veld van de holte.

"Niemand heeft ooit opzettelijk een deeltje in een elektrisch veld in een vacuüm gesuspendeerd met behulp van SRF-holten, " zei Drew Weisenberger, een hoofdonderzoeker van dit project, evenals chief technology officer en hoofd van de Radiation Detector and Imaging Group in de Experimental Nuclear Physics Division bij Jefferson Lab.

Als het projectteam een ​​deeltje kan laten zweven, ze kunnen er dan een kwantumtoestand aan geven door het gevangen deeltje af te koelen tot het laagst mogelijke energieniveau (omdat dat is wanneer kwantumeigenschappen optreden).

"Het opslaan van kwantuminformatie op een zwevend nanodeeltje is ons uiteindelijke doel, maar voor nu, het is een proof of principle experiment, " zei Pashupati Dhakal, een andere hoofdonderzoeker van het project en een stafwetenschapper bij Jefferson Lab in de Accelerator Operations, Afdeling Onderzoek en Ontwikkeling. "We willen weten of we deeltjes in de holte kunnen vangen en laten zweven met behulp van het elektrische veld."

Het kwantum verkennen met versnellerholtes

Het idee voor dit project kwam voort uit observaties van acceleratorexperts. Ze denken dat ze al onbedoeld ongewenste en zeldzame nanodeeltjes van metaal hebben laten zweven, zoals niobium en ijzer, binnen SRF-holten tijdens deeltjesversnelleroperaties. Ze vermoeden dat deze onbedoelde levitatie de prestaties van SRF-holtecomponenten heeft beïnvloed.

Onderzoekers proberen een tientallen jaren oude techniek te gebruiken, genaamd "laser trapping, " als een stap in de richting van het op betrouwbare wijze verlenen van een kwantumtoestand aan een deeltje dat in een laserstraal is gesuspendeerd. Maar, het Jefferson Lab-projectteam denkt dat SRF-holtes een beter hulpmiddel kunnen zijn voor die onderzoekers.

"Een elektrisch veld zou potentieel verder kunnen gaan dan de mogelijkheden van lasertrapping, ' zei Weisenberger.

Intrinsieke kenmerken van SRF-holten zullen enkele beperkingen van laseropsluiting overwinnen. Een zwevend deeltje in een SRF-holte die onder vacuüm en gekoeld is tot superkoude temperaturen, zal alleen interageren met het elektrische veld van de holte en geen informatie naar buiten verliezen, wat belangrijk is voor het handhaven van een kwantumtoestand.

"Zoals het opslaan van informatie op een computerchip, de kwantumtoestand zal blijven en niet verdwijnen, "Zei Weisenberger. "En dat zou uiteindelijk kunnen leiden tot toepassingen in kwantumcomputers en kwantumcommunicatie."

Dit project, getiteld "SRF Levitation and Trapping of Nanoparticles Experiment, " wordt gefinancierd door het Laboratory Directed Research &Development-programma, die middelen biedt voor Jefferson Lab-personeel om snelle en significante bijdragen te leveren aan kritieke wetenschappelijke en technologische problemen die relevant zijn voor de missie van Jefferson Lab en de DOE.

Een multidisciplinaire aanpak

Het project is bedacht en gelanceerd door Rongli Geng in oktober 2020 voordat hij overstapte naar het Oak Ridge National Laboratory. Het is nu verschoven naar een groter en meer multidisciplinair team onder leiding van Weisenberger en Dhakal, de huidige co-hoofdonderzoekers.

Het team van Weisenberger doet onderzoek naar detectortechnologie voor kernfysisch onderzoek, terwijl het werk van Dhakal zich richt op het ontwikkelen van SRF-holtes om elektronen met hoge snelheden te versnellen. Weisenberger zegt dat de multidisciplinaire aanpak hun expertise zal samenbrengen terwijl ze zich samen vertakken naar het minder bekende terrein van dit LDRD-project.

Beide hoofdonderzoekers merken op dat het project voorspoedig verloopt, dankzij de toewijding en expertise geleverd door elk lid van het team. Teamleden zijn onder meer John Musson, Frank Marhauser, Haipeng Wang, Wenze Xi, Brian Kross en Jack McKisson.

"Het is een interessante stap buiten de gebruikelijke dingen die we doen, Weisenberger zei. "Het LDRD-programma laat Jefferson Lab-wetenschappers en -ingenieurs los op een onderzoeksvraag die niet direct verband houdt met waar we eigenlijk voor zijn ingehuurd, maar maakt gebruik van alle expertise die we brengen en het is een geweldige bron om te gebruiken om te proberen uit te rekken. Dat doen we met dit project, uitrekken."

Bouwen en testen

Voordat het project over de Weisenberger en Dhakal gaat, Geng en zijn collega's hadden met simulaties en berekeningen de vereiste parameters van de holte en het elektrische veld bepaald.

"We hebben alles op papier, maar we moeten het waarmaken, ' zei Dhakal.

Het team is het experiment momenteel in het echt aan het opzetten.

"We moeten kijken of wat werd gesimuleerd ook echt kan gebeuren, ' zei Weisenberger.

Eerst, ze zullen een mock-up van het experiment bij kamertemperatuur samenstellen. Vervolgens, ze zullen vloeibaar helium rond de buitenoppervlakken van de holte laten circuleren om het af te koelen tot supergeleidende temperaturen die het absolute nulpunt naderen.

Vervolgens komt het moeilijkste deel. Ze moeten een enkel microscopisch deeltje in de juiste regio van de holte krijgen, terwijl de holte opgesloten zit in een insluitingsvat bij supergeleidende temperaturen, onder vacuum, en met het elektrische veld aan.

"We hebben een manier bedacht om op afstand een deeltje in de holte te lanceren onder experimentele omstandigheden, we moeten het nu gewoon testen, " zei Weisenberger. "In de onderzoeks- en ontwikkelingswereld, je kunt vaak niet doen wat je dacht te kunnen. We proberen en testen en komen in de problemen, probeer de problemen op te lossen, en ga door."

Dit is een project van een jaar met de mogelijkheid van nog een jaar financiering, afhankelijk van hoe het gaat. Het is ook een vroeg stadium, Proof of Principe-project. Als het uiteindelijk lukt, er zou nog een lange weg van R&D zijn voordat de concepten zouden kunnen worden toegepast bij het bouwen van kwantumcomputers. Dergelijke computers zouden op voorspelbare en betrouwbare wijze tientallen tot honderden tot duizenden veel kleinere deeltjes moeten laten zweven en kwantumtoestanden doorgeven.

Nog altijd, de onderzoekers kijken uit naar de ontdekkingen die ze hopen dat deze studie mogelijk zal maken met betrekking tot microscopische deeltjeslevitatie en mogelijke observatie van een kwantumtoestand.

"Ik ben optimistisch, ' zei Dhakal. 'Hoe dan ook, we zullen iets ontdekken. Falen is net zo goed een onderdeel van R&D als succes. Van beide leer je. In principe, of het deeltje nu zweeft of niet, of we er de kwantumtoestand aan kunnen geven of niet, het is iets dat nog nooit eerder is gedaan. Het is heel uitdagend en spannend."