Från bärbara datorer till mobiltelefoner, dagens teknik går framåt genom den ständigt ökande hastighet med vilken elektriska laddningar styrs genom kretsar. Liknande, Att påskynda kontrollen över kvanttillstånd i atomära och nanoskala system kan leda till språng för det framväxande området kvantteknologi.

Ett internationellt samarbete mellan fysiker vid University of Chicago, Argonne National Laboratory, McGill University, och Konstanz universitet visade nyligen en ny ram för snabbare kontroll av en kvantbit. Första gången publicerad online 28 november, 2016, i Naturfysik , deras experiment på en enda elektron i ett diamantchip kan skapa kvantenheter som är mindre benägna att göra fel när de används i höga hastigheter.

Accelererande kvantdynamik

För att förstå deras experiment, man kan se till den ultimata inställningen för hastighet i klassisk dynamik:de ovala banorna vid Indianapolis eller Daytona 500. För att möjliggöra för bilarna att navigera i svängarna med fantastiska hastigheter, racerbanans trottoar är "bankad" med upp till 30 grader. En student i newtonsk mekanik kunde förklara att denna inåtlutning av trottoaren tillåter den normala kraften som vägen tillhandahåller för att hjälpa till att avbryta bilens centrifugalacceleration, eller dess tendens att glida utåt från svängen. Ju högre hastighet, desto större krängningsvinkel krävs.

"Dynamiken hos kvantpartiklar beter sig analogt, "sa Aashish kontorist, professor i teoretisk fysik vid McGill University. "Även om rörelseekvationerna är olika, att exakt ändra tillståndet för en kvantpartikel vid höga hastigheter, du måste designa rätt spår för att ge de rätta krafterna. "

Kontorist, tillsammans med McGill postdoktorer Alexandre Baksic och Hugo Ribeiro, formulerat en ny teknik för att möjliggöra snabbare kvantdynamik genom att behändigt absorbera skadliga accelerationer som känns av kvantpartikeln. Dessa accelerationer, om inte kompenseras, skulle avleda partikeln från dess avsedda bana i utrymmet av kvanttillstånd, liknande hur centrifugalaccelerationen avleder racerbilen från den avsedda racerbanan på banan.

Genom samtal med medlemmar i hans egen grupp och kontoristgruppen, David Awschalom, professor i spintronik och kvantinformation vid Institute for Molecular Engineering vid University of Chicago, insåg att den nya teorin kunde användas för att påskynda de diamantbaserade kvantanordningarna i hans laboratorier. Dock, precis som att bygga de bankade hastigheterna gav utmaningar inom anläggningsteknik, experimentellt genomföra de kontrollsekvenser som föreställts av kontorist och medarbetare som presenterade sådana inom kvantteknik.

Att bygga det kvanta snabbspåret krävde att lysa intrikat format, synkroniserade laserpulser på enstaka elektroner fångade vid defekter inuti deras diamantchips. Denna experimentella bedrift uppnåddes av huvudförfattaren Brian Zhou, arbetar med Christopher Yale, Joseph Heremans, och Paul Jerger.

"Vi demonstrerade att dessa nya protokoll kan vända tillståndet för en kvantbit, från 'av' till 'på, '300% snabbare än konventionella metoder, "sa Awschalom, också senior forskare vid Argonne National Laboratory. "Att raka varje nanosekund från operationstiden är viktigt för att minska påverkan av kvantdekoherens, " han förklarade, med hänvisning till den process genom vilken kvantinformation går förlorad för miljön

Professor Guido Burkard och Adrian Auer från universitetet i Konstanz gick med i Awschalom och Clerk -grupperna för att undersöka data från experimenten. En ledande expert på diamantbaserade kvantsystem, Burkard anmärkte, "Det som är lovande för att översätta dessa tekniker utanför laboratoriet är att de är effektiva även när systemet inte är perfekt isolerat."

Forskarna räknar med att deras metoder kan tillämpas ytterligare för snabb och exakt kontroll över atomernas fysiska rörelse eller överföring av kvanttillstånd mellan olika system, och förmedla fördelar med kvantapplikationer, såsom säker kommunikation och simulering av komplexa system.