Forskare vid University of Chicago och Argonne National Laboratory har uppfunnit ett innovativt sätt för olika typer av kvantteknik att "prata" med varandra med hjälp av ljud. Studien, publicerad 11 februari i Naturfysik , är ett viktigt steg för att föra kvanttekniken närmare verkligheten.

Forskare tittar på kvantsystem, som utnyttjar de minsta partiklarnas udda beteende som nyckeln till en grundläggande ny generation av atomskalaelektronik för beräkning och kommunikation. Men en ihållande utmaning har varit att överföra information mellan olika typer av teknik, såsom kvantminnen och kvantprocessorer.

"Vi närmade oss denna fråga genom att fråga:Kan vi manipulera och ansluta materiens kvanttillstånd med ljudvågor?" sa seniorstudieförfattaren David Awschalom, familjeprofessorn Liew med Institute for Molecular Engineering och seniorvetare vid Argonne National Laboratory.

Ett sätt att köra en kvantberäkning är att använda "snurr" - en egenskap hos en elektron som kan vara uppe, ner eller båda. Forskare kan använda dessa som nollor och enor i dagens binära datorprogrammeringsspråk. Men för att få denna information någon annanstans krävs en översättare, och forskare trodde att ljudvågor kunde hjälpa.

"Syftet är att koppla ihop ljudvågorna med elektronernas snurr i materialet, "sade doktoranden Samuel Whiteley, den första författaren på tidningen. "Men den första utmaningen är att få spinnarna att uppmärksamma." Så de byggde ett system med krökta elektroder för att koncentrera ljudvågorna, som att använda en förstoringslins för att fokusera en ljuspunkt.

Resultaten var lovande, men de behövde mer data. För att få en bättre titt på vad som hände, de arbetade med forskare vid Center for Nanoscale Materials i Argonne för att observera systemet i realtid. Väsentligen, de använde extremt ljusa, kraftfulla röntgenstrålar från laboratoriets jätte synkrotron, den avancerade fotonkällan, som ett mikroskop för att titta på atomerna inuti materialet när ljudvågorna rörde sig genom det vid nästan 7, 000 kilometer per sekund.

"Den här nya metoden gör att vi kan observera atomdynamiken och strukturen i kvantmaterial i extremt små längder, "sa Awschalom." Detta är en av bara några platser över hela världen med instrumenten för att direkt se atomer röra sig i ett galler när ljudvågor passerar genom dem. "

Ett av de många överraskande resultaten, sa forskarna, var att kvanteffekterna av ljudvågor var mer komplicerade än de först hade trott. För att bygga en omfattande teori bakom vad de observerade på subatomär nivå, de vände sig till prof. Giulia Galli, familjeprofessorn Liew vid IME och en seniorvetare vid Argonne. Att modellera systemet innebär att man samverkar interaktionen mellan varje partikel i systemet, som växer exponentiellt, Awschalom sa, "men professor Galli är en världsexpert i att ta denna typ av utmanande problem och tolka den bakomliggande fysiken, vilket gjorde att vi kunde förbättra systemet ytterligare. "

Det är normalt svårt att skicka kvantinformation för mer än några mikron, sade Whiteley - det är bredden på en enda sträng spindelsilke. Denna teknik kan utöka kontrollen över ett helt chip eller skiva.

"Resultaten gav oss nya sätt att styra våra system, och öppnar platser för forskning och tekniska tillämpningar som kvantavkänning, "sa postdoktor Gary Wolfowicz, den andra medförfattaren till studien.

Upptäckten är en annan från University of Chicagos världsledande program inom kvantinformationsvetenskap och teknik; Awschalom leder för närvarande ett projekt för att bygga ett kvant "teleportationsnät" mellan Argonne och Fermi National Accelerator Laboratory för att testa principer för ett potentiellt ohackabelt kommunikationssystem.