De kvantmekaniska egenskaperna hos elektroner börjar öppna dörren till en ny klass av sensorer och datorer med förmågor långt utöver vad deras motsvarigheter baserade i klassisk fysik kan åstadkomma. Kvanttillstånd är notoriskt svåra att läsa eller skriva, dock, och för att göra saker värre, osäkerhet om dessa staters startvillkor kan göra experiment mer mödosamma eller till och med omöjliga.

Nu, Penn Engineers har utvecklat ett system för att återställa dessa startförhållanden, testa dem för att se om de är korrekta, och starta experimentet automatiskt om de är det, allt på några mikrosekunder.

Denna nya "initieringsprocedur" kommer att spara kvantforskare tid och ansträngning att köra om experiment för att statistiskt redogöra för osäkra starttillstånd, och möjliggöra nya typer av mätningar som kräver exakta startförhållanden för att överhuvudtaget kunna köras.

Lee Bassett, biträdande professor vid institutionen för el- och systemteknik och chef för Quantum Engineering Laboratory, tillsammans med labbmedlemmarna David Hopper och Joseph Lauigan, ledde en nyligen genomförd studie som visar denna nya initialiseringsprocedur. Labbmedlemmen Tzu-Yung Huang bidrog också till studien.

Det publicerades i tidskriften Fysisk granskning tillämpas .

"Initialisering är en av nyckeln, grundläggande krav för att utföra nästan alla typer av kvantinformationsbehandling, " säger Bassett. "Du måste kunna deterministiskt ställa in ditt kvanttillstånd innan du kan göra något användbart med det, men den smutsiga lilla hemligheten är att, i nästan alla kvantarkitekturer, den initieringen är inte perfekt."

"En del av tiden, "Hopper säger, "Vi kan acceptera den osäkerheten, och genom att köra ett experimentprotokoll många tusen gånger, komma med en mätning som vi i slutändan är säkra på. Men det finns andra experiment vi skulle vilja göra där den här typen av medelvärde över flera körningar inte kommer att fungera."

Den speciella typen av osäkerhet som forskarna undersökte har att göra med ett vanligt använt kvantsystem känt som ett kvävevakanscenter (NV) i diamant. Dessa NV-centra är defekter som naturligt förekommer i diamant, där det regelbundna gittret av kolatomer ibland störs med en kväveatom och en ledig plats bredvid. Elektronmolnen från angränsande atomer överlappar varandra i detta tomma utrymme, skapa en "fångad molekyl" i diamanten som kan sonderas med en laser, låter forskare mäta, eller ändra, elektronernas kvantegenskap som kallas "spin".

Elektronerna som fångas i ett NV-centrum bildar en "qubit" - den grundläggande enheten för kvantinformation - som kan användas för att känna av lokala fält, lagra kvantöverlagringstillstånd, och till och med utföra kvantberäkningar.

"Elektroner är utmärkta magnetiska sensorer, " säger Bassett, "och de kan till och med upptäcka de små magnetfält som är associerade med kolkärnor som omger defekten. Dessa kärnor kan själva fungera som qubits och styras med hjälp av den centrala elektronen för att bygga upp de intrasslade kvanttillstånden som ligger till grund för kvantdatorer. De kopplar också ihop till fotoner, som används för att överföra kvantinformation över långa avstånd. Så NV-centra slår verkligen samman de tre huvudområdena inom kvantvetenskap:avkänning, kommunikation och beräkning."

Lika lovande som NV-center är, forskare måste fortfarande brottas med en osäker variabel:antalet elektroner som fångas i NV-centret när ett experiment startar, eftersom elektroner kan hoppa in och ut ur defekten när den belyses med laser. En initialiseringsprocedur som garanterar ett förutsägbart antal elektroner varje gång skulle minska den tid det tar att köra ett experiment framgångsrikt, eller möjliggöra experiment där osäkra startförhållanden inte kan korrigeras statistiskt för i efterhand.

"NV-centret är som en låda med ett mynt inuti, " säger Lauigan. "Om vi ​​bara vill göra vårt experiment när myntet är på huvudet, vi måste skaka lådan, kolla myntet, och upprepa tills vi finner att den landade rätt väg upp. Det är initieringsproceduren."

För att utföra denna initiering, forskarna använde ett par lasrar, fotondetektorer och specialiserad hårdvara som kunde hantera den exakta timing som krävs.

"Vi lyser med en grön laser på NV-centret, som i princip "vänder myntet" och blandar ihop antalet elektroner som är fångade i defekten, " säger Hopper. "Då kommer vi in ​​med en röd laser, och beroende på antalet elektroner som finns där, defekten kommer antingen att avge en foton eller förbli mörk."

"När vi upptäcker fotonen som talar om för oss att rätt antal elektroner är i defekten, specialiserade kretsar startar automatiskt experimentet, "Huang säger. "Allt detta händer på cirka 500 nanosekunder; det finns inte tid att få signalen analyserad av en vanlig dator, så allt måste hända på dessa specialiserade chips som kallas fältprogrammerbara grindmatriser."

Forskarna utnyttjade kraften hos avancerad klassisk elektronik för att bättre kontrollera ett visst kvantavkänningssystem. De visade att tack vare idealiska startförhållanden, deras enhet kan upptäcka ett litet oscillerande magnetfält på endast 1,3 nanoteslas på en sekunds mätningar, vilket är ett känslighetsrekord för rumstemperaturkvantsensorer baserade på enstaka NV-centra.

Forskarnas initialiseringsprocedur kan också bidra till att påskynda framstegen med nya kvantarkitekturer för beräkning och kommunikation. Diamant består vanligtvis av två stabila isotoper av kol, kol-12 och kol-13. Den förra är den vanligaste, men varannan tiondels nanometer, det finns en atom av den senare. Och eftersom kol-13 har en extra neutron, den uppvisar nukleär spin och kan användas som en qubit.

Ett NV-center kan vara ett "handtag" för att kontrollera dessa kärnspinn-qubits i en kvantdator, men i denna situation blir förmågan att exakt initiera dess tillstånd avgörande. Felen associerade med dålig initiering multipliceras, och det blir snabbt omöjligt att utföra en komplex beräkning. Den typ av realtidsmätning och kontroll som används av teamet i detta arbete är ett stort steg mot att implementera mer sofistikerade felkorrigerande protokoll i dessa kvantenheter.

På kort sikt, den förbättrade avkänningsförmågan kommer att vara användbar för att bestämma placeringen av kol-13-atomer i diamantgittret.

"Att hitta alla dessa speciella kolatomer är en mödosam process, eftersom det finns så många atomer och varje mätning tar väldigt lång tid, " säger Hopper. "När vi startade det här projektet, vårt mål var att se vad som gjorde att dessa mätningar tog så lång tid och om det fanns något sätt att förkorta det."