Forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory bedriver grundläggande fysikforskning som kommer att leda till mer kontroll över kvantsystem och material av kvantsilver. Deras studier kommer att möjliggöra framsteg inom kvantberäkning, avkänning, simulering, och materialutveckling.

Forskarnas experimentella resultat publicerades nyligen i Fysisk granskning B Snabb kommunikation och Optik bokstäver .

Kvantinformation anses vara bräcklig eftersom den kan gå förlorad när systemet som den är kodad i interagerar med sin omgivning, en process som kallas dissipation. Forskare med ORNL:s direktorat för beräknings- och beräkningsvetenskap och fysikaliska vetenskaper och Vanderbilt University har samarbetat för att utveckla metoder som hjälper dem att kontrollera – eller driva – det "läckande, " avlösande beteende som är inneboende i kvantsystem.

"Vårt mål är att utveckla experimentella plattformar som tillåter oss att undersöka och kontrollera kvantkoherent dynamik i material, sa Benjamin Lawrie, en forskare i Quantum Sensing Team i ORNL:s Quantum Information Science Group. "Att göra det, du måste ofta kunna förstå vad som händer på nanoskala."

Ta med perspektiv från kvantinformationsvetenskap, nanovetenskap och elektronmikroskopi, forskarna utnyttjar befintlig kunskap om materia och ljusets och ljudets fysik för att undersöka kvantnaturen hos nanostrukturer – strukturer som mäter ungefär en miljarddels meter.

Ett projekt fokuserade på att driva fram defekter av vakanscentrum för kväve i nanodiamanter med plasmoner. De naturligt förekommande defekterna skapas när en kväveatom bildas i stället för den typiska kolatomen, intill en atomlös vakans. Defekterna undersöks för användning i tester av intrassling, ett tillstånd som kommer att tillåta att väsentligt mer information kodas i ett kvantsystem än vad som kan åstadkommas med klassisk beräkning.

Elektroner genererar ett elektriskt fält. När en elektronstråle appliceras på ett material, materialets elektroner sporras till rörelse – ett tillstånd som kallas excitation – vilket skapar ett magnetfält som sedan kan detekteras som ljus. Arbeta med plasmoner, elektronexcitationer som lätt kopplas ihop med ljus, tillåter forskare att undersöka elektromagnetiska fält på nanoskala.

Matthew Feldman, en doktorandstudent från Vanderbilt University som bedriver doktorandforskning vid ORNL genom National Defense Science and Engineering Graduate Fellowship-programmet och en medlem av Quantum Sensing Team, använde en högenergielektronstråle för att excitera kvävevakanscentra i diamantnanopartiklar, får dem att avge ljus. Han använde sedan ett katodoluminescensmikroskop som ägdes av ORNLs materialvetenskaps- och teknologiavdelning, som mäter det synliga spektrumets luminescens i bestrålade material, att samla in de emitterade fotonerna och karakterisera höghastighetsinteraktioner mellan vakanscentra för kväve, plasmoner och vibrationer i nanodiamanten.

I annan forskning, Jordan Hachtel, en postdoktor vid ORNL:s Center for Nanophase Materials Sciences, använde katodoluminescensmikroskopet för att excitera plasmoner i guld nanospiraler. Han utforskade hur spiralernas geometri kunde utnyttjas för att fokusera energi i system i nanoskala. Andy Lupini tjänade projektet som mikroskopikonsult, tillhandahålla expertis gällande utrustningsoptimering och felsökning.

Exakt kontroll över energiöverföring i nanoskala krävs för att möjliggöra långlivad intrassling i en modell utforskad av Eugene Dumitrescu, en forskare i ORNL:s Quantum Information Science Group. Dumitrescus forskning, publicerad i Physical Review A i slutet av 2017, visade att fotonstatistiken Feldman samlade in kunde användas i beräkningar för att visa intrassling.

"Detta arbete främjar vår kunskap om hur man kontrollerar ljus-materia-interaktioner, tillhandahålla experimentella bevis på ett fenomen som tidigare hade beskrivits genom simuleringar, " sa Lawrie.

Slutna system, där kvantinformation kan hållas borta från sin omgivning, teoretiskt kan förhindra spridning, men verkliga kvantsystem är öppna för många influenser som leder till informationsläckage.

"Elefanten i rummet i diskussioner om kvantsystem är dekoherens, " sa Feldman. "Om vi ​​kan modellera en miljö för att påverka hur ett kvantsystem fungerar, vi kan möjliggöra intrassling."

Dumitrescu höll med. "Vi vet att kvantsystem kommer att vara läckande. Ett botemedel är att driva dem, " sade han. "De drivande mekanismerna vi utforskar upphäver effekterna av försvinnande."

Dumitrescu använde analogin med ett musikinstrument för att förklara forskarnas försök att kontrollera kvantsystem. "Om du plockar en fiolsträng, du får ljudet, men det börjar försvinna genom miljön, luften, " sa han. "Men om du sakta drar bågen över snöret, du får en mer stabil, långvarigt ljud. Du har tagit kontroll över systemet."

Feldman tror att det här är fascinerande tider för kvantfysiker eftersom kvantberäkningsområdet är i samma fas som klassisk beräkning var i mitten av 1900-talet. "Det som gör mig mest upphetsad är hur aktuell forskning kan förändra vår förståelse av kvantsystem och material, " han sa.