Ett internationellt team som leds av University of Chicago Institute for Molecular Engineering har upptäckt hur man manipulerar ett konstigt kvantgränssnitt mellan ljus och materia i kiselkarbid längs våglängder som används inom telekommunikation.

Arbetet främjar möjligheten att tillämpa kvantmekaniska principer på befintliga optiska fibernät för säker kommunikation och geografiskt distribuerad kvantberäkning. Prof. David Awschalom och hans 13 medförfattare meddelade sin upptäckt i 23 juni-numret av Fysisk granskning X .

"Kiselkarbid används för närvarande för att bygga en mängd olika klassiska elektroniska enheter idag, "sa Awschalom, familjeprofessorn Liew i molekylär teknik vid UChicago och en senior forskare vid Argonne National Laboratory. "Alla bearbetningsprotokoll är på plats för att tillverka små kvantanordningar av detta material. Dessa resultat erbjuder en väg för att föra kvantfysik in i den tekniska världen."

Resultaten baseras delvis på teoretiska modeller av material som utförts av Awschaloms medförfattare vid Ungerska vetenskapsakademin i Budapest. En annan forskargrupp vid Sveriges Linköpings universitet odlade mycket av det kiselkarbidmaterial som Awschaloms team testade i experiment på UChicago. Och ett annat team vid National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology i Japan hjälpte UChicago -forskarna att göra kvantdefekter i materialen genom att bestråla dem med elektronstrålar.

Kvantmekanik styr materiens beteende på atom- och subatomära nivåer på exotiska och kontraintuitiva sätt jämfört med den klassiska fysikens vardag. Den nya upptäckten beror på ett kvantgränssnitt inom atomskala defekter i kiselkarbid som genererar den bräckliga egenskapen för intrassling, ett av de märkligaste fenomen som kvantmekaniken förutspår.

Förträngning innebär att två partiklar kan vara så oupplösligt förbundna att tillståndet för en partikel omedelbart kan påverka tillståndet hos den andra, oavsett hur långt ifrån varandra de är.

"Denna icke-intuitiva karaktär av kvantmekanik kan utnyttjas för att säkerställa att kommunikation mellan två parter inte avlyssnas eller ändras, sa Awschalom.

Utnyttjar kvantmekanik

Fynden förbättrar den en gång oväntade möjligheten att skapa och kontrollera kvanttillstånd i material som redan har tekniska tillämpningar, Awschalom noterade. Att sträva efter den vetenskapliga och tekniska potentialen för sådana framsteg kommer att stå i fokus för den nyligen tillkännagivna Chicago Quantum Exchange, som Awschalom kommer att regissera.

En särskilt intressant aspekt av det nya papperet var att kiselkarbidhalvledarfel har en naturlig affinitet för att flytta information mellan ljus och snurr (en magnetisk egenskap hos elektroner). "En nyckel okänd har alltid varit om vi kunde hitta ett sätt att omvandla deras kvanttillstånd till ljus, "sa David Christle, en postdoktor vid University of Chicago och huvudförfattare till verket. "Vi visste att ett gränssnitt för lätt materia borde finnas, men vi kan ha haft otur och funnit att det i sig är olämpligt för att generera trassel. Vi hade mycket tur i att de optiska övergångarna och processen som omvandlar snurrningen till ljus är av mycket hög kvalitet. "

Defekten är en saknad atom som får närliggande atomer i materialet att ordna om sina elektroner. Den saknade atomen, eller själva defekten, skapar ett elektroniskt tillstånd som forskare styr med en avstämbar infraröd laser.

"Vilken kvalitet betyder i grunden:Hur många fotoner kan du få innan du har förstört spinnets kvanttillstånd?" sa Abram Falk, en forskare vid IBM Thomas J. Watson Research Center i Yorktown Heights, N.Y., som är bekant med arbetet men inte en medförfattare på pappret.

UChicago-forskarna fann att de potentiellt kunde generera upp till 10, 000 fotoner, eller ljuspaket, innan de förstörde spinntillståndet. "Det skulle vara ett världsrekord i termer av vad du kan göra med en av dessa typer av defekttillstånd, "Tillade Falk.

Awschaloms team kunde vända kvanttillståndet för information från enstaka elektronspinn i kommersiella skivor av kiselkarbid till ljus och läsa det med en effektivitet på cirka 95 procent.

Millisekunds sammanhang

Varaktigheten av snurrstaten - kallad koherens - som Awschaloms team uppnådde var en millisekund. Inte mycket efter klockstandarder, men ganska mycket inom kvanttillståndens rike, där flera beräkningar kan utföras på en nanosekund, eller en miljarddels sekund.

Prestationen öppnar nya möjligheter för kiselkarbid eftersom dess nanoskaladefekter är en ledande plattform för ny teknik som försöker använda kvantmekaniska egenskaper för kvantinformationsbehandling, känna av magnetiska och elektriska fält och temperatur med nanoskalaupplösning, och säker kommunikation med ljus.

"Det finns ungefär en miljardindustri av kraftelektronik byggd på kiselkarbid, "Falk sa." Efter detta arbete, det finns en möjlighet att bygga en plattform för kvantkommunikation som utnyttjar dessa mycket avancerade klassiska enheter i halvledarindustrin, " han sa.

De flesta forskare som studerar defekter för kvanttillämpningar har fokuserat på en atomär defekt i diamant, som har blivit en populär testbädd för synligt ljus för dessa tekniker.

"Diamond har varit denna enorma industri av kvantkontrollarbete, "Falk noterade. Dussintals forskargrupper över hela landet har ägnat mer än ett decennium åt att perfekta materialet för att uppnå standarder som Awschaloms grupp har behärskat inom kiselkarbid efter bara några års undersökning.

Mångsidighet i kiselkarbid

"Det finns många olika former av kiselkarbid, och några av dem används ofta idag inom elektronik och optoelektronik, "Awschalom sa. "Kvanttillstånd finns i alla former av kiselkarbid som vi har utforskat. Detta lovar bra för införandet av kvantmekaniska effekter i både elektronisk och optisk teknik. "

Forskare börjar nu undra om denna typ av fysik också kan fungera i andra material, Falk noterade.

"Dessutom, kan vi rationellt utforma en defekt som har de egenskaper vi vill ha, inte bara snubbla in i en? "frågade han.

Defekter är nyckeln.

"I decennier har elektronikindustrin kommit med en myriad av tricks för att ta bort alla defekter från sina enheter eftersom defekter ofta orsakar problem inom konventionell elektronik, "Awschalom förklarade." Ironiskt nog, vi sätter tillbaka defekterna för kvantsystem. "