Fysiker vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har kommit på ett sätt att länka en grupp atoms kvantmekaniska egenskaper till varandra mycket snabbare än vad som för närvarande är möjligt, möjligen tillhandahålla ett verktyg för mycket exakt avkänning och kvantdatorprogram. NIST har ansökt om patent på metoden, som beskrivs i ett nytt papper i Fysiska granskningsbrev .

Metoden, som ännu inte har demonstrerats experimentellt, väsentligen skulle påskynda processen för kvantinvikling där egenskaperna hos flera partiklar blir sammankopplade med varandra. Trassel skulle föröka sig genom en grupp atomer på dramatiskt kortare tid, tillåter forskare att bygga ett intrasslat system exponentiellt snabbare än vanligt idag.

Matriser med intrasslade atomer suspenderade i laserljusstrålar, kallas optiska gitter, är ett sätt att skapa logikcentra för prototypkvantdatorer, men ett intrasslat tillstånd är svårt att upprätthålla mer än kort. Att tillämpa metoden på dessa matriser kan ge forskare dyrbar tid att göra mer med dessa atomer innan förträngningar försvinner i en process som kallas dekoherens.

Metoden drar fördel av ett fysiskt förhållande mellan atomerna som kallas dipolär interaktion, som gör att atomer kan påverka varandra över större avstånd än tidigare möjligt. Forskargruppens Alexey Gorshkov jämför det med att dela tennisbollar bland en grupp människor. Medan tidigare metoder i huvudsak tillät människor att passera tennisbollar bara till en person som stod bredvid dem, det nya tillvägagångssättet skulle göra det möjligt för en individ att kasta dem till människor i rummet.

"Det är dessa långdistansdipolära interaktioner i 3D som gör att du kan skapa förvirring mycket snabbare än i system med kortdistansinteraktioner, "sa Gorshkov, en teoretisk fysiker vid NIST och vid både Joint Center for Quantum Information and Computer Science och Joint Quantum Institute, som är samarbeten mellan NIST och University of Maryland. "Självklart, om du kan kasta saker direkt på människor som är långt borta, du kan sprida föremålen snabbare. "

Att tillämpa tekniken skulle fokusera på att justera tidpunkten för laserljuspulser, Slå på och av lasrarna, i synnerhet mönster och rytmer för att snabbt ändra de upphängda atomerna till ett sammanhängande, intrasslat system.

Metoden kan också hitta tillämpning i sensorer, som kan utnyttja trassel för att uppnå mycket större känslighet än vad klassiska system kan. Medan förträngningsförbättrad kvantavkänning är ett ungt område, det kan möjliggöra högupplöst skanning av små objekt, såsom att skilja små temperaturskillnader mellan delar av en enskild levande cell eller genomföra magnetisk avbildning av dess inre.

Gorshkov sa att metoden bygger på två studier från 1990 -talet där olika NIST -forskare övervägde möjligheten att använda ett stort antal små föremål - som en grupp atom - som sensorer. Atomer kan mäta egenskaperna hos ett närliggande magnetfält, till exempel, eftersom fältet skulle ändra deras elektroners energinivåer. Dessa tidigare ansträngningar visade att osäkerheten i dessa mätningar med fördel skulle vara lägre om alla atomerna var intrasslade, snarare än bara ett gäng oberoende föremål som råkade vara nära varandra.

"Osäkerhet är nyckeln här, "sa Gorshkov." Du vill ha den osäkerheten så låg som möjligt. Om atomerna trasslar in sig, du har mindre osäkerhet om magnetfältets storlek. "

Att få atomerna till ett sammanflätat tillstånd snabbare skulle vara en potentiell fördel i alla praktiska tillämpningar, inte minst för att trassel kan vara flyktig.

När en grupp atomer trasslar in sig, kvanttillståndet för var och en är bunden till de andra så att hela systemet har ett enda kvanttillstånd. Denna koppling kan existera även om atomerna är separerade och helt isolerade från varandra (vilket ger upphov till Einsteins berömda beskrivning av det som "spöklik handling på avstånd"), men trassel är också ett ganska skört tillstånd. Svårigheten att upprätthålla den bland ett stort antal atomer har bromsat utvecklingen av trasselbaserade tekniker som kvantdatorer.

"Förtrasslade stater tenderar att decohere och gå tillbaka till att vara ett gäng vanliga oberoende atomer, "Gorshkov sa." Folk visste hur man skapade förvirring, men vi letade efter ett sätt att göra det snabbare. "

Om metoden kan demonstreras experimentellt, det kan ge en kvantdatorprocessor ytterligare tid så att den kan överstiga avkoherens, som hotar att få en beräkning att falla sönder innan qubitsna kan slutföra sitt arbete. Det skulle också minska osäkerheten om den används i avkänningsapplikationer.

"Vi tror att det här är ett praktiskt sätt att öka fasthållningshastigheten, "Gorshkov sa." Det var coolt nog att patent, så vi hoppas att det kommer att bli kommersiellt användbart för någon. "