新突破!声波实现了量子技术的互相“交谈”

科学
新突破!声波实现了量子技术的互相“交谈”
麻省理工科技评论 2019-02-26

2019-02-26

据 phys 2 月 18 日报道,芝加哥大学和阿贡国家实验室的研究人员提出了一种新方法,可以通过声波实现不同类型量子技术间的互相“交谈”。该技术于 2 月 11 日在 Nature Physics 上发表,这是将量子技术进行实际应用的重要一步。
物理
据 phys 2 月 18 日报道,芝加哥大学和阿贡国家实验室的研究人员提出了一种新方法,可以通过声波实现不同类型量子技术间的互相“交谈”。该技术于 2 月 11 日在 Nature Physics 上发表,这是将量子技术进行实际应用的重要一步。

据 phys 2 月 18 日报道,芝加哥大学和阿贡国家实验室的研究人员提出了一种新方法,可以通过声波实现不同类型量子技术间的互相“交谈”。该技术于 2 月 11 日在 Nature Physics 上发表,这是将量子技术进行实际应用的重要一步。

图丨声波的 X 射线图像(来源:Kevin Satzinger and Samuel Whiteley)

研究人员正关注于量子系统的研究,量子的特殊性质成为计算和通信领域研究新一代原子级电子学的关键。但是,量子系统的研究困难在于不同类型量子技术之间的信息传递,例如量子存储器和量子处理器间的信息传递。

阿贡国家实验室分子工程研究所的教授、著名科学家 David Awschalom 说:“我们通过提出问题来深入研究:我们能否操纵物质的量子态并将其与声波联系起来呢?”

量子计算借助于电子的自旋方向来运行。在二进制计算机编程语言中,科学家们可以将自旋方向与 0、1 对应。但在其他领域就无法直接获取这些信息了,科学家认为通过声波可以翻译这些信息。

图丨 Martin Holt 在阿贡纳米材料中心利用高强光 X 射线纳米探针拍摄的声波 X 射线图像(来源:阿贡国家实验室)

该论文的第一作者 Samuel Whiteley 说:“我们的目标是将声波与材料中电子的自旋方向联系起来。但困难在于如何观察电子的自旋。”于是他们建立了一个带有弯曲电极的系统来聚集声波,这就像使用放大镜聚焦光点一样。

实验的初步结果还不错,同时,研究人员需要更多的数据。为了实时观测材料中量子的原子动力学和微观结构,他们与阿贡纳米材料中心的科学家一起,利用巨型同步加速器的高强光 X 射线作为显微镜,当声波以每秒近 7000 公里的速度穿过材料时,观察材料内部的原子状态。Awschalom 说:“这是世界上仅有的几台设备,可以直接观察到原子在晶格中的状态。”

研究人员称,声波的量子效应要比之前想象的复杂的多。为了在亚原子水平上建立系统性的理论,他们求助于阿贡实验室的著名科学家 Giulia Galli 教授。Awschalom 说:“系统建模需要编组每一个粒子间的相互作用。这种相互作用呈指数增长,Galli 教授是这一领域的世界顶级专家,将助力我们有效改进量子系统。”

Whiteley 说:“通常很难将量子信息传送到几微米以外(这是单股蜘蛛丝的宽度),但是该技术可以将量子信息传送到整个芯片或晶片的每个角落。”

图丨声学芯片用于发射和控制声波(来源:Kevin Satzinger)

该研究的另一位共同第一作者、博士后研究员 Gary Wolfowicz 说:“研究结果为我们提供了控制量子系统的新方法,拓宽了量子技术的应用领域(例如量子传感)。”

这项研究可谓是芝加哥大学量子信息科学与工程专业的又一重要发现。Awschalom 教授目前正在主持另一个项目——在阿贡实验室和费米实验室之间建立一个量子信息远程传送网络,以研究量子通信系统无法被破解的机理。

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