Twee atomen verstrikt voor het eerst met microgolven

Twee atomen verstrikt voor het eerst met microgolven

Anonim

door National Institute of Standards and Technology

Image

Natuurkundigen van het National Institute of Standards and Technology hebben voor het eerst de kwantumeigenschappen van twee gescheiden ionen (elektrisch geladen atomen) gekoppeld door ze te manipuleren met microgolven in plaats van de gebruikelijke laserstralen, wat suggereert dat het mogelijk is om een ​​exotische kamer te vervangen- quantum computing "laserpark" op maat met geminiaturiseerde, commerciële microgolftechnologie vergelijkbaar met die gebruikt in smartphones.

Microgolven, de drager van draadloze communicatie, zijn in eerdere experimenten gebruikt om afzonderlijke ionen te manipuleren. Maar de NIST-groep is de eerste die microgolvenbronnen dicht genoeg bij de ionen plaatst - op slechts 30 micrometer afstand - en de voorwaarden creëert voor verstrengeling, een kwantumfenomeen dat naar verwachting cruciaal is voor het transport van informatie en het corrigeren van fouten in kwantumcomputers.

Beschreven in het nummer van 11 augustus van Nature , integreren de experimenten de bedrading voor microgolfbronnen rechtstreeks op een ionenvanger ter grootte van een chip en gebruiken ze een tafel van lasers, spiegels en lenzen op desktop-schaal die slechts ongeveer een tiende is van de eerder vereiste grootte . Ultraviolette lasers met laag vermogen zijn nog steeds nodig om de ionen te koelen en experimentele resultaten te observeren, maar kunnen uiteindelijk zo klein worden gemaakt als die in draagbare dvd-spelers. In vergelijking met complexe, dure laserbronnen zouden microgolfcomponenten gemakkelijker kunnen worden uitgebreid en opgewaardeerd om praktische systemen van duizenden ionen te bouwen voor quantum computing en simulaties.

"Het is denkbaar dat een bescheiden kwantumcomputer er uiteindelijk uit zal zien als een slimme telefoon in combinatie met een laserpointerachtig apparaat, terwijl geavanceerde machines een totale voetafdruk kunnen hebben die vergelijkbaar is met een gewone desktop-pc, " zegt NIST-fysicus Dietrich Leibfried, een co- auteur van het nieuwe artikel.

"Hoewel kwantumcomputers niet worden beschouwd als handige apparaten die iedereen wil meenemen, kunnen ze magnetronelektronica gebruiken die vergelijkbaar is met wat in smartphones wordt gebruikt. Deze componenten zijn goed ontwikkeld voor een massamarkt om innovatie te ondersteunen en kosten te verlagen. Het vooruitzicht boeit ons. "

Quantumcomputers zouden de ongebruikelijke regels van de kwantumfysica gebruiken om bepaalde problemen op te lossen - zoals het breken van de meest gebruikte gegevenscoderingscodes van vandaag - die momenteel zelfs met supercomputers onhandelbaar zijn. Een doel op de kortere termijn is om kwantumsimulaties van belangrijke wetenschappelijke problemen te ontwerpen, om kwantummysteries te onderzoeken, zoals supergeleiding bij hoge temperaturen, het verdwijnen van elektrische weerstand in bepaalde materialen wanneer voldoende gekoeld.

Ionen zijn een vooraanstaande kandidaat voor gebruik als kwantumbits (qubits) om informatie in een kwantumcomputer te bewaren. Hoewel andere veelbelovende kandidaten voor qubits - met name supergeleidende circuits of 'kunstmatige atomen' - worden gemanipuleerd op chips met microgolven, zijn ionqubits experimenteel in een geavanceerder stadium omdat meer ionen kunnen worden gecontroleerd met een betere nauwkeurigheid en minder informatieverlies.

Dezelfde NIST-onderzoeksgroep gebruikte eerder ionen en lasers om vele basiscomponenten en -processen voor een kwantumcomputer te demonstreren. In de laatste experimenten gebruikte het NIST-team microgolven om de "spins" van afzonderlijke magnesiumionen te roteren en de spins van een paar ionen te verwarren. Dit is een "universele" set van kwantumlogische bewerkingen omdat rotaties en verstrengeling opeenvolgend kunnen worden gecombineerd om elke berekening uit te voeren die door de kwantummechanica is toegestaan, zegt Leibfried.

In de experimenten werden de twee ionen vastgehouden door elektromagnetische velden, die boven een ionenvalchip zweefden bestaande uit goudelektroden die gegalvaniseerd waren op een aluminiumnitride-rug. Sommige van de elektroden werden geactiveerd om pulsen van oscillerende microgolfstraling rond de ionen te creëren. Stralingsfrequenties liggen in het bereik van 1 tot 2 gigahertz. De magnetrons produceren magnetische velden die worden gebruikt om de spins van de ionen te roteren, die kunnen worden gezien als kleine staafmagneten die in verschillende richtingen wijzen. De oriëntatie van deze kleine staafmagneten is een van de kwantumeigenschappen die worden gebruikt om informatie weer te geven.

Wetenschappers hebben de ionen verward door een techniek aan te passen die ze eerst met lasers hebben ontwikkeld. Als de magnetische velden van de microgolven geleidelijk op de juiste manier over de ionen toenemen, kan de beweging van de ionen worden opgewonden, afhankelijk van de spinoriëntaties, en kunnen de spins in het proces verstrikt raken. Wetenschappers moesten de juiste combinatie van instellingen in de drie elektroden vinden die de optimale verandering in de oscillerende magnetische velden over de beweging van de ionen mogelijk maakten, terwijl andere, ongewenste effecten werden geminimaliseerd. De eigenschappen van de verwarde ionen zijn gekoppeld, zodat een meting van het ene ion de toestand van het andere zou onthullen.

Het gebruik van magnetrons vermindert fouten die worden veroorzaakt door instabiliteiten in laserstralen en vermogen en door laser geïnduceerde spontane emissies door de ionen. Microgolfbewerkingen moeten echter worden verbeterd om praktische kwantumberekeningen of simulaties mogelijk te maken. De NIST-onderzoekers bereikten 76 procent van de tijd verstrengeling, ruim boven de minimumdrempel van 50 procent die het begin van kwantumeigenschappen definieerde, maar nog niet concurrerend met de beste lasergestuurde operaties van 99, 3 procent.

Naast het verbeteren van de werking van microgolven door ongewenste ionenbewegingen te verminderen, is het NIST-team ook van plan om te onderzoeken hoe overspraak tussen verschillende zones voor informatieverwerking op dezelfde chip kan worden onderdrukt. Verschillende frequenties kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt voor logische bewerkingen en besturing van andere nabijgelegen qubits. Kleinere vallen kunnen snellere bewerkingen mogelijk maken als ongewenste verwarming kan worden onderdrukt, volgens het papier.